科學人／ 每次擼貓都被電？ 揭開產生「靜電」的真正原因

情境示意圖。圖／Ingimage

大家或許有過這種經驗：在地毯上摩擦腳底、脫毛衣，甚至輕輕撫摸貓咪時，忽然感覺到「啪！」一聲，好像被電了一下。這個困擾人類兩千多年的現象，現在終於有了科學解答！

早在公元前600年，希臘哲學家泰勒斯（Thales of Miletus）就發現，當他用毛皮摩擦琥珀時，琥珀能吸引灰塵。雖然人類知道摩擦能產生靜電，還知道哪邊是正電跟負電，但其中的「電荷交換」究竟是怎麼發生？科學家過了2000年始終搞不清楚。

最近，西北大學（Northwestern University）的科學家們破解了這個古老謎題。他們發現，當物體摩擦時，會產生一種叫做「彈性剪切」（elastic shear）的現象，這種現象導致電荷積累，進而產生靜電。這項研究發表在《奈米通訊》（Nano Letters），爲長達數千年的靜電謎團提供了全新視角。

靜電的真正原因：彈性剪切效應

西北大學麥考密克工程學院（McCormick School of Engineering）材料科學與工程榮休教授馬克斯（Marks）提出，當一個物體滑動時，物體的前後部分會受到不同的力。這種力的差異導致物體的前後部分積累不同的電荷，而電荷差異則產生電流，最終導致靜電放電，我們也就「啪」一聲被電到了。

他們發現，當兩個物體表面摩擦時，材料表面的小突起會因爲「彈性剪切」（elastic shear）而彎曲變形，彈性剪切發生在材料抵抗滑動力時。就像你推動桌面上的盤子時，它會抵抗滑動。停止推動時，盤子就會停止移動。這種因滑動阻力引起的額外摩擦，會導致電荷移動。

小小靜電，大大麻煩

靜電不只是讓你頭髮亂翹，或脫毛衣時電到自己這麼簡單。靜電可能導致一些工業上的嚴重問題，比如靜電火花引發的工廠火災或爆炸，也會干擾製藥時粉末劑量的精確控制。

瞭解這個機制後，科學家們就能針對這些問題開發新的解決方法。馬克斯教授指出：「靜電在日常生活中有着簡單卻深遠的影響。例如，爲穀物充電對咖啡豆的研磨與風味有着重大影響。而如果沒有微粒因靜電而聚集的關鍵步驟，地球可能根本無法形成。」

資料來源：

1. Why petting your cat leads to static electricity

2. Karl P. Olson et al, What Puts the "Tribo" in Triboelectricity?, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03656

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（本文出自2024.09.23《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）