在寒冷干燥的冬季，脱衣时的噼啪声或接触金属把手时的酥麻感，常让人以为静电不过是日常现象。然而在物理学家看来，绝缘氧化物间的静电产生机制背后，隐藏着一个困扰已久的科学谜题。
绝缘氧化物是宇宙中最丰富的固体材料，从沙漠沙砾到月球岩石，即便是两块完全相同的氧化物相互接触，也会产生静电。根据物理学对称性原理，相同物质接触本不应发生电荷转移。此前关于表面水分、酸碱性或微观结构差异的猜测，均在严谨实验中被推翻。
近日，奥地利科学技术研究院（ISTA）助理教授斯科特·怀图凯蒂斯（Scott R. Waitukaitis）及其团队在《Nature》发表研究成果。研究发现，几乎所有暴露在空气中的物体表面存在的碳化合物污染，不仅决定了同种材料如何起电，甚至能反转不同材料之间的摩擦起电序列。
研究背景与核心发现
研究团队将目光锁定了二氧化硅。作为地壳中占比高达 60% 的核心成分，二氧化硅也是月球和岩石行星的主要物质。其接触起电现象不仅是实验室奇观，更是塑造宇宙的力量：撒哈拉沙漠沙尘的远距离漂浮、火山喷发时的闪电，乃至恒星形成盘中微小颗粒聚合成行星，均离不开这一现象。
实验设计：声学悬浮技术
实验过程面临巨大挑战：即便与镊子等标准工具发生轻微接触，电荷也会交换。为在不接触材料的情况下研究电荷转移，团队设计了一套巧妙的实验方案。
利用声学悬浮技术，研究人员将一颗直径约 500 微米的二氧化硅小球悬在半空，下方放置一块完全相同的二氧化硅平板。通过声波控制单个颗粒在底板上跳动，精确测量受控接触前后的电荷转移。
图 | 通过悬浮二氧化硅颗粒，研究人员可以控制外界对其电荷的影响（来源：上述论文）
关键机制：碳杂质的作用
重复实验显示，某些样本始终带正电，而其他样本则始终带负电。为探究电荷在相同材料间定向流动的原因，团队尝试了不同的表面处理方式。
表面吸附层的影响
研究发现，通过高温烘烤或等离子体处理去除样本表面的自然吸附层时，起电规律发生显著反转。原本带正电的小球在去除表面吸附物后转为带负电，且处理强度越高，极性转变越彻底。
更有力证据在于时间相关性：将彻底清洁后的样本放回空气中静置数小时，随着环境碳分子重新吸附，不可预测的随机带电行为逐渐恢复。
图 | 烘烤后的样品始终带更多负电（来源：上述论文）
“由于石英玻璃具有很强的耐热性，热量不会影响材料本身。因此，我们认为任何变化都必定是由于吸附在材料表面的分子引起的。”该研究第一作者加利恩·格罗让（Galien Grosjean）表示。
研究人员最终确认，从环境中吸附到氧化物表面的微量碳质分子是打破材料对称性的核心原因。这些碳杂质在氧化物表面形成薄覆盖层，即便在同一环境下，不同氧化物表面吸附的碳杂质种类与数量也会因“经历”不同而产生差异。
图 | 碳基表面污染会导致同种材料接触起电（来源：Nature）
碳杂质具有独特性质：去掉后需数小时甚至十几小时才能重新吸附，氧化物的起电规律也随之同步恢复。即便在超高真空环境中，碳杂质仍会缓慢吸附，可谓“无孔不入”。
普适性与应用前景
团队进一步验证了空气中碳杂质对其他绝缘氧化物（包括氧化铝、尖晶石和氧化锆）的影响。结论显示，这些碳杂质不仅决定相同氧化物的起电，还能操控不同氧化物之间的起电规律。
自然状态下，不同氧化物碰撞有固定起电顺序。若去除带正电的氧化铝表面碳杂质，其起电极性会直接反转，整个起电顺序随之倒置。若将两个氧化物表面的碳杂质均反复去除，它们之间几乎不发生接触起电，进一步证实了碳杂质的关键作用。
这项发现填补了基础物理领域的空白，并为实际应用提供重要指导：在未来的太空探索中，科学家或可通过控制表面碳杂质缓解月球、火星尘埃带电对设备的干扰；工业生产中的静电除尘及摩擦起电设备，也能通过调控碳杂质优化性能。
当然，后续研究仍需探索碳杂质具体如何影响电荷转移，以及碳杂质与水之间是否存在协同作用等问题。
参考链接：
1. Grosjean, G., Ostermann, M., Sauer, M. et al. Adventitious carbon breaks symmetry in oxide contact electrification. Nature 651, 626–631 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10088-w