我是科学家 09-03
害怕静电?那来点维生素吧
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作者:Richard Van Noorden

编译:玛雅蓝

化学家们报告,只要在塑料或橡胶等高分子聚合物表涂上一层抗氧化物,例如维生素 E,就能防止静电积聚。这个发现提供了一个廉价的解决方案,可防止塑料表面灰尘堆积、静电放电以及避免火花损坏电视电路或计算机主板。

孩子们可以尽情享受静电带来的乐趣。当他们把气球放在头上摩擦的时候,头发会粘到气球上,这是因为当带电粒子从一个物体传递到另一个物体之后,两种带相反电荷的物体之间产生了吸引力。在工业上,例如在汽车的塑料燃油过滤器中或半导体部件内部,静电累积可能引发危险的火花放电,或导致灰尘积聚。

由于运动产生摩擦,带电的毛发吸附包装用泡棉的一只猫   | Sean McGrath/Wikipedia

巴托兹 · 泽博尔斯基(Bartosz Grzybowski)是美国伊利诺斯州埃文斯顿市西北大学的一名物理化学家。他介绍说,静电的神秘之处在于,尽管绝缘体表面积聚的同性带电粒子之间会互相排斥,这种排斥力使它们均匀分布在物体表面并引发漏电,但电荷仍然能够稳定地大量积聚。因此,静电能够积累足够的量,在导电途径出现时瞬间放电,例如闪电穿过人体击中金属栏杆,或在空气中产生微型球形闪电一般的小火花。

维生素疗法

泽博尔斯基的团队发表在《科学》杂志上的文章揭开了这个谜。研究人员在显微镜下研究了带电粒子在高分子聚合物表面累积时电场和磁场的分布情况。他们发现,自由基的存在能使电荷稳定。自由基是性质活泼的分子,带有多余的自由电荷,由分子在某个面上的化学键断裂形成。自由基吸附了一些电荷,如果没有自由基,电荷就无法紧密排布。研究团队表示,只要把一层能够和自由基发生反应的涂层覆盖在表面,消除这些自由基,就能防止静电积聚。其中一种廉价无毒的抗氧化物涂层就是维生素 E。实际上,一些这样的化学品会在生产高分子聚合物的时候被添加进去,以消除紫外线损伤塑料时产生的化学基团,但它们从未被当作防静电涂层使用。

为了证明他们的结论,研究人员把消基团溶液涂在聚苯乙烯球等普通的高分子聚合物表面。不出所料,在通过摩擦使涂了涂层的小球带电后,仅仅过了几分钟静电就消散了。科学家还把防静电涂层涂在一个晶体管表面,并用离子枪向它发射带电粒子,晶体管毫发未损。泽博尔斯基说:" 答案简直简单得令人难以置信。"

《自然》杂志联系了其他研究人员,他们也认为这个研究激动人心。美国罗利市(Raleighd)北卡罗来纳州大学的迈克尔 · 迪奇(Michael Dickey)研究纳米电子学,他表示这项研究真正的价值在于发现了静电产生的根源。他补充说:" 解决一个老问题的方法竟然如此简单,这太巧妙了。"

静电敏感设备的警示标志(左)和静电敏感保护设备标志(右) | Wikipedia

弗雷德 · 罗斯卡(Fred Roska)是美国明尼苏达州圣保罗市 3M 公司(Minnesota Mining and Manufacturing Company)的研究员,他表示静电效应是 " 工业上的一个大难题 "。他补充举例说,在半导体制造业中,只要设法提供和高分子聚合物表面上积聚的静电电性相反的电荷,消除静电,就能拥有十亿美元的市场。工业上还会通过改进所用材料来消除静电,例如在高分子聚合物表面覆盖水或凝胶等导电涂层,或在高分子聚合物中加入导电的金属条或碳纳米管,以为静电提供逃逸的途径。

泽博尔斯基表示目前工业上的解决方案都不过是权宜之计,例如只考虑增加塑料的导电性,却不去探究静电积累的原因。他认为抗氧化物涂层是个廉价的解决办法。他说,他已经为这个发现申请了专利,并希望把它出售给 3M 或陶氏化学(Dow)之类的公司。

本文编译自 Nature:Antioxidants dispel static electricity。

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