粉尘爆炸是农业相关行业的重大安全隐患，同种材料为何会产生静电并引发爆炸，长期困扰学界。本文揭示空气中微量碳污染是关键原因，既为工业防爆提供新方向，也为行星形成研究带来新启发。

文章来源于公众号《谭天悦地》，作者：谭时勋

研究显示，在多种农业相关行业中，粉尘爆炸依然是引发严重伤亡事故的重要原因。

以美国为例，2025年该国共发生7起粮食粉尘爆炸事故，造成10人受伤、4人死亡。粮食粉尘是其中最为重要的可燃物来源，直接引发了5起爆炸，其余爆炸则由木屑粉尘和一种未知燃料引发。

粉尘爆炸多由颗粒表面的静电积累所引发。有些类型的静电很容易理解。比如，把气球在头发上摩擦一下，负电荷就会在橡胶表面积聚，因为橡胶对负电荷的吸附能力更强。而你的头发则会因此带上正电荷，又因同种电荷相互排斥，头发便会彼此分开。

然而，有些静电则令人困惑，那就是相同材质之间发生的电荷分离。例如，火山喷发的火山灰颗粒以及粮仓中的粮食粉尘都会积累电荷，并因此而引发闪电或者强烈爆炸。

在最新发表于《Nature》上的一项研究中，研究人员表示，他们最终找到了问题的真正原因：空气中的含碳化合物在颗粒表面形成的微量污染。

静电现象在物理学中被称为“接触起电”，而人们往往无法预测同一种材料之间的电荷转移。一个在上次接触中带正电的样本，下一次竟然可能带上负电，这看起来完全随机且毫无规律可言。

一些研究人员认为，表面吸附的微量水膜可能会使某个样本更容易捕获电荷。另一些则认为，表面微观形貌的细微差异可能起到关键作用。但这些解释一直只能作为假说而非确凿的答案。

为了深入探究这一问题的本质，研究人员设计了一套无需人工接触的实验装置，以最大限度减少污染。他们利用声波将一颗微小的玻璃球悬浮在一块玻璃平板上方，通过短暂关闭声波，可以让玻璃球轻轻撞击平板。而后通过反复启动并关闭声波，玻璃球可以反复撞击玻璃平板。随后，他们通过施加电场测量了玻璃球在碰撞过程中所获得的电荷量。在整个过程中，球体未接触任何其他表面。

在重复弹跳1000次后，电荷在玻璃球上被缓慢而稳定地累积起来。然而，即使使用清洁且完全相同的样品，玻璃球所带电荷依然有时为正，有时为负，仿佛材料本身在每次测试之间发生了某种未知的变化。

于是，研究团队采取了更彻底的措施：将玻璃球和玻璃板加热至300°C进行烘烤，并用离子化气体束（等离子体）轰击玻璃球表面，以剥离所有附着的分子。结果，电荷转移速率几乎降至零，随后才逐渐恢复为原先那种随机模式。

在显微镜之下，个中原因一目了然：未经烘烤或等离子清洗的样品表面覆盖着一层碳氢化合物薄膜，包含如甲基和丁烷等有机分子。而那些经过清洁的样品，也会在几小时内便重新吸附这些化合物，恰好与它们恢复随机静电行为所需的时间一致。

研究人员表示，这项研究让一种适用于所有材料的统一机制希望渺茫。“对聚合物起关键作用的因素，对氧化物却无关紧要，反之亦然”。对于聚合物（即塑料）而言，关键因素可能是表面粗糙度在纳米尺度上的微小差异。当这些可塑性材料相互碰撞时，其表面结构会被“压溃”（mushes），从而产生不对称性，这种不对称性可能驱动了接触起电。

研究人员还表示，碳基分子可能还不只是对地球上的静电现象至关重要，它们可能对于宇宙的演化也同样重要。

长期以来，行星科学家一直难以解释是什么因素推动了尘埃在恒星周围的原行星盘中相互聚集，并最终成长为行星胚胎，即使他们一直相信接触起电可能在其中扮演了关键角色。而如今，有学者就此提出，吸附的有机分子可能在其中发挥了重要作用，促成了星际尘埃的聚集以及行星的形成。