5塊錢就能買到的文具，竟能產生10億伏特每米的電場，實在是太炸裂了
本文轉載自公衆號“環球科學”（id：huanqiukexue）
圖片來源：張新星
撰文｜黃雨佳
審校｜張新星 王怡博
張新星刷着手機，一個短視頻引起了他的注意：伴隨着一聲刺耳的“滋啦——”，畫面中被猛然拉開的透明膠帶，竟然在黑暗中發出了一道光。
作爲南開大學化學學院的教授，張新星立刻對這一現象產生了濃厚的興趣。他意識到，這道光之所以產生，是因爲在膠帶撕開的過程中，膠帶兩側帶上了正負電荷，形成的電場擊穿了空氣。“電荷的轉移很可能伴隨化學反應的發生，”張新星想着。
快速撕膠帶時，會發出藍紫色的光丨張新星
於是，他找來了團隊中的博士研究生高煦峯，試圖深入探究撕膠帶摩擦起電過程中發生的化學反應。他們還希望通過撕膠帶的方式，催化一些原本難以發生的化學反應。2025年6月，他們將相關研究結果發表在了《美國科學院院刊》（PNAS）上。
超強電場
在攝影機前，張新星仔細觀看了撕膠帶的過程。他發現，只有當撕膠帶的速度足夠快時，纔會在黑暗中持續閃現藍紫色光。原來，只要速度快到一定程度，就會出現“粘滑”（stick-slip）現象：膠帶接觸面在滑動過程中因摩擦特性變化，導致交替發生粘滯與滑動，表現爲摩擦力或滑動速度隨時間波動。
也正因如此，當我們快速撕膠帶時，往往無法順暢均勻地一次拉出一長條，而只能一段一段地“跳躍”着拉開。“不同膠帶發生粘滑現象所需的最低速度不一樣，這與膠帶的寬度、厚度、黏度等諸多特性有關，”張新星解釋道。
快速撕膠帶時的粘滑現象丨原論文
我們慢慢撕膠帶時，儲存在膠帶中的能量只會緩慢而均勻地釋放。相反，在快速撕扯膠帶、發生粘滑現象時，膠帶撕開界面處會釋放巨大能量。張新星說：“這就像人們在冰面上滑倒。在即將滑倒的一剎那，鞋子相對於冰面的速度極快，一個體重一百多斤的成人滑倒所釋放的動能也是粘滑的後果之一，能量之大可見一斑。”
經過張新星團隊的實驗，當他們使用電機以0.3米/秒的速度快速撕膠帶時，能產生高達1.2×10^9伏/米的超強電場。質譜檢測結果顯示，在快速撕膠帶的過程中，膠帶縫隙間空氣中的水分子會被電場電離，生成羥基自由基和水合氫離子。同時，膠帶上的黏性成分（丙烯酸酯）也轉化成了相應的陽離子自由基。張新星對此非常興奮，因爲這說明撕膠帶產生的電場有催化化學反應的可能。
張新星團隊使用的實驗裝置丨原論文
接下來，張新星團隊嘗試通過撕膠帶產生的電場來催化三個原本無法自發進行的化學反應。由於直接將化學物質粘在膠帶上會影響其黏性，因此他們選擇讓揮發性反應物擴散至膠帶處，再快速拉扯膠帶。而質譜結果也如他們所料，撕膠帶產生的電場成功催化了這三個反應。
儘管撕膠帶產生的電場持續時間極短，但在如此短暫的時間內，它竟依然能催化反應的發生，這意味着其催化效率遠超一般催化劑。“根據理論計算，膠帶產生的電場極大降低了化學反應的勢壘。也就是說，在撕膠帶產生的電場作用下，原本無法發生的反應變得自發了。只要反應底物相遇，反應就會瞬間完成。”張新星激動地說道。
論文第一作者高煦峯和他做實驗用完的膠帶丨高煦峯
許多化學反應的本質都是電子或者電荷的轉移。施加電場後，不僅反應物分子會在電場中統一取向，電場還能促進電子或電荷轉移。因此，強電場能有效降低化學反應的活化能，使一些原本難以發生的反應得以發生。此前的研究表明，要實現這一目標，外部電場的強度至少要達到10^8～10^9伏/米。
過去，科學家幾乎不可能在實驗室中創造如此強大的電場。一方面，要在傳統實驗容器中產生超強電場，就意味着要提供極高的電壓，這在技術上難以實現；另一方面，一旦電場強度超過3×10^6伏/米，空氣就會被擊穿，形成閃電。
因此，爲了實現電場催化化學反應，科學家過去通常需要“曲線救國”——利用掃描隧道顯微鏡（STM）。使用這種設備時，科學家可以讓電場的兩極在真空環境中靠得足夠近，近到只有一納米甚至幾埃的距離。在這種情況下，他們只需施加幾伏的電壓，就能產生高達10^9伏/米的電場。科學家近年還發現，微小的水滴表面也能存在極強的電場，可以催化化學反應。
過去，科學家會使用掃描隧道顯微鏡來實現電場催化化學反應丨Sason Shaik, et al./《自然·化學》
但很顯然，撕膠帶比大費周章地使用掃描隧道顯微鏡要簡單得多。張新星表示：“只用撕膠帶這樣一個簡單的動作，我們就能輕鬆產生如此強大的電場，甚至成功催化原本不可能發生的化學反應，這是一件非常有意義的事。”
小小膠帶，大大能量
事實上，撕膠帶這個再尋常不過的動作，不僅能發光，產生超強電場，甚至還能發出X射線和音爆。
張新星團隊的研究，也受到了一篇2008年發表於《自然》（Nature）的論文的啓發。在這篇論文中，研究人員發現，如果在中度真空條件下快速撕膠帶，產生的超強電場能將電子加速到極高速度，轟擊產生脈寬爲幾納秒的脈衝X射線。基於這一原理，研究人員甚至用透明膠帶做了一臺便攜式X光機，併成功拍攝了論文作者之一的手指X光圖像。
科學家使用膠帶製作的便攜式X光機丨《自然》
除了X射線，撕膠帶時刺耳的“滋啦”聲也大有玄機。一篇2019年發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的論文表明，在快速撕膠帶的過程中，膠帶並非整齊地被拉開。高速攝影機記錄下的畫面顯示，當粘滑現象中的滑動過程發生時，膠帶剝離處會以650～900米/秒的速度側向移動，甚至超過了戰鬥機的飛行速度。也正因如此，撕膠帶的聲音纔會如此刺耳。畢竟，每一次釋放能量，膠帶都會發出微小的超音速衝擊波，讓我們的耳朵接連不斷地受到音爆衝擊。
快速撕膠帶時會發生超音速的側向移動丨《物理評論快報》/美國物理學會
此外，發現撕膠帶可以產生X射線的科學家甚至提出，撕膠帶過程中產生的高電荷密度可能足以引發核聚變。儘管核聚變專家對此表示懷疑，但所有這些研究已經足以讓我們驚歎：一卷幾塊錢的膠帶，竟能蘊藏如此巨大的能量。
參考文獻
[1]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2510504122
[2]https://www.nature.com/articles/nature07378
[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.068005
[4]https://www.nature.com/articles/news.2008.1185
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