危地马拉“水火山”上的闪电。图片来源：Mario Dalma Leon

在3月18日发表于《自然》的一项研究中，物理学家解开了一个关于火山闪电的长久谜团：当相似的粒子相互摩擦时，为什么有的带正电，有的却带负电？

两个物体接触时发生的电荷转移现象被称为摩擦电效应。气球摩擦后会吸起头发就是这个原理。

在火山灰里，大量旋转的二氧化硅粒子在碰撞时会交换电荷。带正电和负电的粒子分离，当电流在二者之间流动时便会产生闪电。但物理学家一直无法解释，为什么同一种物质的两个粒子之间会出现不对称性，并导致电荷以某种方式单向流动。

“人们提出过很多可能的原因。”论文第一兼通讯作者、西班牙巴塞罗那自治大学的Galien Grosjean说，“湿度、表面粗糙度或晶体结构，可能都很关键。”

此前在奥地利科技研究所工作期间，Grosjean想知道答案是否就在粒子表面的含碳分子中。这类分子在自然界中无处不在，材料科学家通常会尽量清除这类污染物，而Grosjean团队则专门记录了清洁的样品对起电现象的影响。

研究人员利用超声波将一颗微小的二氧化硅粒子悬浮起来，让它在同材质的靶板上弹跳一次，然后测量其电荷情况。“它可能带正电，也可能带负电。如果带正电，我们就会烘烤或清洗样品，然后重新实验，结果它就会带负电。”Grosjean说。

对样品的分析证实，去除含碳分子确实是控制电荷的关键因素。“我们发现，这种效应压倒了其他所有因素。”Grosjean说。

另一个有力证据是，清洗过的样品大约一天后会再次带正电，这恰好也是它从空气中重新吸附一层碳分子的时间。

“大家都知道粒子表面有很多杂质，但我从未在摩擦起电现象中见过这种情况。”美国凯斯西储大学的Daniel Lacks对这项研究印象深刻。

Lacks担心，这一发现对物理学家来说可能是个坏消息。如果碳污染决定了粒子的带电方向，那么精确计算粒子如何带电将变得极为困难。“相关预测或许永远无法实现。”（王方）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-10088-w