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一项发表在《自然》杂志上的新研究表明，当两个微观粒子碰撞时，它们会产生微小的火花。这种简单的相互作用可能提供了启动地球生命所需的能量。但当相同材料接触时，什么决定了电荷移动的方向？研究发现，答案是来自环境中的碳基分子，它们附着在材料表面。这种类型的电荷转移在许多自然事件中发挥作用，包括撒哈拉沙尘暴、火山闪电和恒星周围旋转的物质盘。

为了研究这一点，研究人员使用声悬浮来悬浮单个颗粒而无需物理接触。通过将颗粒反复弹射到由相同材料制成的板上，他们可以测量每次碰撞后电荷如何变化。一些样品始终获得正电荷，而另一些则变成负电荷。加热的样品在接触后始终产生负电荷。当研究小组使用等离子体剥离表面时，也观察到了类似的效果。

碳被确定为关键因素

将经过处理的材料与未经处理的材料进行比较后发现，处理过程剥离了它们的环境碳物种天然涂层。等离子体清洗（表面科学中的一种标准方法）已知会去除碳层。处理后，电荷行为在大约一天内逐渐减弱。同时，碳物种也在同一时期返回到材料表面。水分子返回得更快，排除了它们作为主要原因的可能性。这些结果证实了环境碳是罪魁祸首。

材料电荷趋势逆转

经过标准清洁（不剥离其吸附的碳物种）后，这些材料自然落入选定的摩擦电序列中。虽然这表明材料具有内在倾向，但研究团队怀疑碳涂层也有贡献。通过检查每一对材料并剥离自然带正电更多的材料的表面，同时保持另一个完好无损，他们可以反转整个序列。因此，引入碳涂层的这种明显不平衡有助于研究人员证明碳效应可以超过材料的内在倾向。

这些发现超出了实验室的范围。自然界的微小颗粒在碰撞、摩擦和滚动时会产生静电。这就是沙漠沙子、火山灰云和尘埃颗粒带电的原因。理解这一机制也可能有助于科学家研究行星形成。

参考文献

Grosjean, G., Waitukaitis, S. R. et al. (2026). Adventitious carbon breaks symmetry in oxide contact electrification. Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-10088-w

该研究通过声悬浮和精确电荷测量实验，揭示了环境来源的碳吸附层（Adventitious carbon）是导致相同绝缘氧化物（如二氧化硅、氧化铝等）在接触带电中产生不对称电荷转移的关键因素。研究发现，碳层的存在与否可以决定电荷转移方向，甚至逆转材料固有的摩擦电序列。研究团队来自奥地利科学技术研究所（ISTA）等机构。