接触电气化，也称为“ wribocharging”或“ Triboelectrification”，违反了我们的理解。原则上，这似乎很简单：取两个中性绝缘子，触摸并分开它们，它们将交换电荷1,2,3。接触电气通常在头发上摩擦的气球经常被识别，但在自然界的广泛角落，从Thunderclouds4的电气化到粘在bumblebees5的花粉到将灰尘降低到Protoplanets6中，至关重要。但是，正如任何接触电气化文章都重申的那样，效果的最根本方面，即荷载体和交换的原因，仍然在争论。在与接触电气化相关的最显着观察中，有不同材料的“趋势”订购为底压系列，即基于材料充电2,7,8,9,10的符号的瞬态列表。例如，在1757年由J. C. Wilcke创建的第一个列表中，玻璃充满了纸张和纸张阳性为阳性的纸张，Ergo玻璃充满了硫磺为阳性。Triboelectric系列的概念提出了建议，即接触电气可能由单个基础参数主导 - 出于名称，将其称为φ。与φ相关的候选机制的板岩很多，包括：电子性质11,12，酸度/碱性13,14,15，Zeta势16,17，亲水性/疏水性18,19,20,20,21,21,2223，FlexoElectricity24和Mechanectric24 and MechanChemistric24和MechanChemistric24,25,26,26,28,28,28,28,28 ,26,28。但是，由于缺乏在接触电气化的最基本方面达成共识，因此尚无协议认为正确的是正确的。此外，许多实验对底压系列的有效性以及对接触电气的任何理性解释的希望都引起了怀疑。在不同实验室中比较的系列经常不一致1,3，32。两种材料最初可以以一种方式交换收费（a为b），后来才能表现出极性逆转（b阳性至a）33,34。实验偶尔指出了“摩洛电循环”的存在，即循环回到自己25,35,36中。更令人困惑的是，甚至在联系37,38,39时，甚至“相同”的材料交换费用，其中一个领先的模型依赖于随机性和不可预测性40。

　　在上一篇讨论的基础上，我们的调查始于以下问题：相同材料的样本是否订购为摩洛电性系列？我们使用图1所示的系统来追求这个问题。我们准备了相同的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品，并用字母A – H标记它们（图1A）。由于其低年轻的模量（E = 4.3±0.2 MPA；请参见补充信息和扩展数据图1）和极端平滑度（原始原始的标称粗糙度，即新制造和无接触的samplesrq≈7Å），因此我们与PDMS合作，有助于建立“合格”。为了测量一对样品的电荷交换，我们使用图1B中所示的设置。我们将每个样品安装在聚氟乙烯（PTFE）杆上。一根杆在一个连接到电表的法拉第杯内，这使我们能够测量电荷（请参阅方法）。另一个在线性执行器上，使我们能够将样品推在一起。使用内联力传感器，我们在每个接触中达到设定的压力（P≈45kPa，大约1％的宏观应变）。在测量电荷交换之前，始终将样品完全排放（<0.5 pC residual charge; see Methods). Representative charge-exchange data for consecutive contacts with two sample pairs are shown in Fig. 1c,d. In the first, one sample charges consistently positively and the other consistently negatively (Fig. 1c). In the second (Fig. 1d), the charging exhibits a polarity reversal—an observation seemingly indicative of the unpredictability of contact electrification but—as will become clear later—an important clue. To account for such variability, we define ΔQ5 as the average charge exchange over five contacts, always starting with fully discharged samples (see Methods).

　　We test whether samples order into a series by measuring ΔQ5 for all pair combinations (28 in total) in a staggered sequence (see Methods) and constructing a charge-exchange matrix, for which the colour represents the charge acquired by the column sample. Figure 1e shows such a matrix for a first attempt with pristine samples. The unsorted matrix, that is, with letters arranged alphabetically, is almost completely random, but this is to be expected. The likelihood of any order corresponding to our alphabetical naming is very small: 1/228 if samples charge completely random, 1/8! if they form an unknown series. When we sort the samples according to the number of positive and negative outcomes (Fig. 1f; see Methods), they still exhibit highly random charging—the columns and rows cannot be arranged such that all entries above (below) the diagonal are positive (negative), as required for a series. On closer inspection, the imperfections are indicative of the triboelectric cycles mentioned previously. For instance, as highlighted in Fig. 1g, sample A charges positive to G, E charges positive to A and yet E charges negative to G. Such paradoxes are not because of remnant charge (as ΔQ5 is always measured after complete discharge) nor to experimental uncertainty (as measurement error is much smaller than any ΔQ5 value).

　　once again, these data seem to highlight the unpredictability of contact electrification and in particular the role of randomness with ‘identical’ materials. An optimistic spin on the chaos is that it could offer a starting point from which one might alter parameters one at a time until order appears. To our surprise, however, we need not intentionally alter anything. In Fig. 1h, we show the resulting sorted charging matrices obtained by simply repeating the measurements of Fig. 1e with the same samples on consecutive days. The initial randomness progressively dissipates, giving way to a perfect series on the fifth attempt. This spontaneous ordering occurs every time we start with a pristine ensemble. Typically, we observe a perfect series around the fifth attempt, although it has required as many as ten and as few as two. once a series forms, it is relatively stable, but cycles or letter swaps (especially in the centre) may pop in and out.

　　What causes this evolution? One possibility is that some parameter changes with time, altering the charging behaviour of samples with it. For instance, PDMS is known to exhibit ageing, in which, over a timescale of weeks to months, the mechanical41 and electrical properties42 can drift. More generally, contact electrification has been shown to be extremely sensitive to environmental conditions23, for example, relative humidity (RH) history, which might also be considered. We can exclude such time-based evolution for the following reasons. First, pristine samples begin by charging randomly and evolve into a series independently of when we test them (for example, a day, a week, a month) after their fabrication. Second, although large variations in humidity history (>90％RH）确实改变了观察到的充电行为（请参见补充信息和扩展数据图2），我们存储样品并在严格调节的条件下进行实验，但几乎没有可变性（请参阅方法）。

　　而不是时间，我们发现演变是接触行为的结果。图2a显示了24对原始样品的ΔQ5的测量。这些充电在零左右，扩散约为0.007 nc。要将接触隔离为罪魁祸首，我们将此基线与新的原始样品进行了比较，其中一半将其暴露于100个以前的接触（以及一如既往）。当我们测量针对未接触的“接触偏置”样品的“接触偏置”样品（图2B）时，我们看到了实质性的效果。接触的样品总是负收费。用于导致这一数字的100个接触符合出现的系列所需的总数（大约5个试验×7个样本×5个触点= 175个触点）。我们使用三个样品进一步研究了这一点，如图2C所示：“前进”样本（绿色A），“滞后”样本（象牙A）和“额外”样本（Ivory X）。从原始状态开始，我们首先在前进和滞后样品之间测量ΔQ5。然后，我们将前进的样本与20个触点相偏向额外的样本。出院后，我们在前进和滞后样品之间再次测量ΔQ5。通过重复此过程，我们在前进样本和滞后样本之间的接触历史上产生了日益增长的差异。这转化为越来越负面的前进样品，不同的速率和平台对于不同的三重奏（图2D）。正如我们在补充信息和扩展数据中所示的那样，通过触点产生的偏差是长期的。接触电气化所需的定义可以改变驱动接触电气化的基础参数。换句话说，我们的材料“记住”了他们的接触历史。

　　这一现实提出了一个假设，可以将自发订购分为一系列。首先，我们假设每个样本i都具有一些“有效的潜力” - 为了一个名称，将其称为φi。与相同材料的基于随机性的模型一致，它们的初始值来自某些母体分布，例如高斯22,40,43。当两个样本I和J进行联系时，他们交换的费用与他们的潜力差异有关，即

　　在这张照片中，在任何瞬间，摩洛电序列的顺序应与不同电位的顺序相对应。但是，从图2D可以明显看出，接触会导致电势变化，即dφi/dni = f（ni，φi，…），其中ni是我所经历的接触样品的数量。现在关键的想法是：如果接触导致电势最终分离，那么任何合奏最终都会导致扭转型系列。此外，如果最终电势的排序与不一样，则必须在进化过程中“越过”，从而导致我们（错误）将其视为“循环”。

　　我们可以使用此假设来开发一个复制我们实验数据的数值模型。图2d意味着与以下微分方程一致的演变，

　　其中αi是生长速率，是无限接触处电势的值。

　　我们使用此方程来符合图2D中的数据，这使我们能够提取参数αi的范围。我们使用此信息来绘制新值，并定义八个“虚拟”样本。就像在实验中一样（请参阅方法），我们以交错序列进行“接触”，通过公式（1）计算电荷交换，并让φi根据等式（2）演变。图3a显示了φi的演变与模拟实例所有样品的触点总数。当联系样品时，其潜在的发展，否则它是固定的。由于样品的进化有所不同，因此电势彼此交叉。正如上一段中预见的那样，摩洛电循环是这些穿越的体现，它们不是“真实的”，而是我们无需更改系统而无法执行接触的后果。这是隐藏在图1d中的线索，我们在其中目睹了该法案中的交叉。随着样品的继续发展，单个φi慢慢分开，直到足够解决并且不再发生交叉点为止 - 建立了序列。相应的矩阵可以看到图3B，其中（五次运行）获得了一个完美的系列。就像在实验中一样，这种演变的速度取决于该模型选择的值，在不同的仿真实例中可能会慢或更快地演变。

　　提出的模型不仅允许我们解释以前的观察结果，而且还可以预测新的观察结果。为了说明这一点，我们设计了一个实验性的“接触算法”，以创建我们选择系列的外观（图3C）。我们再次制造了八个原始样品A – H，再加上一个额外的样品X。作为算法的第一步，我们使用额外的样品来偏向50个触点。然后，我们测量A针对从H到C的其余样品的ΔQ5测量。使用样品B，我们对A进行50次接触，同时使我们在测量其ΔQ5的同时偏向样品B。接下来，我们针对除C以外的所有其他样品的所有其他样品测量ΔQ5，在测量ΔQ5时我们执行50次接触，依此类推。正如我们之前所说，八个原始样品订购为字母顺序排列的可能性很小（最多1/8！）。图3D显示，通过理解和发挥联系历史的作用，我们在第一次尝试中创建了这个主题。在补充信息和扩展数据图4中，我们说明我们可以通过操纵接触历史记录来强制迫使周期的出现。无论哪种情况，“外观”一词都是关键，因为我们始终确保在测量ΔQ5时始终确保一个样本比另一个样本更多的接触来实现结果。正如我们在补充信息和扩展数据中所示的那样，将图3D的样品重复进行第二次尝试，而无需操纵接触顺序（即，与图1E相同的交错接触序列）会导致完全不同的（可预测的）无法预测的结果，包括“循环”。

　　显然，接触的行为从根本上以影响接触电气机制的方式改变了样品表面。这些改变可能是元素（例如，改变原子成分），分子（影响键）或物理（例如，结构/形态变化）。在图4中，我们提供了一组表面敏感的测试，以搜索这些变化。在原子量表上，不同材料之间接触电气的实验表明接触会导致元素组成26,33,44。图4A显示了原始样品与200个接触样品的高分辨率X射线光电子光谱（HR-XP）数据，这些数据没有发现硅，碳或氧气含量的统计学上显着差异。通过低能离子散射提高表面特异性（LEE，探测前几个原子层，而XPS中的约10 nm也没有显示变化（图4B）。一些研究报道了不同物质接触电化后的分子修饰26,30。我们使用拉曼（将约1μm探测到大容量中），并使用杂尼检测的总和频率产生（HD-SFG）光谱法（探测大约1 nm的最上方），并且在这两种情况下都无法区分原始/接触的样品（图4C，D）。为了测试物理变化，我们将三种技术用于工作：放牧X射线散射（GIX），扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。Gixs测量值的平面信号表明，在表面附近的亚纳米体间排列中没有可检测到的差异（图4E）。乍一看，SEM和AFM图像（图4F，G）似乎表明表面没有明显的形态差异。但是，计算AFM数据的功率谱密度（PSD）（图4H） 揭示了一个令人惊讶的特征 - 接触表面在较高的空间频率下更加顺畅。在接触之前/接触后，在同一样本上的几个位置进行许多扫描，我们发现这些差异在统计学上是显着的。在补充信息和扩展数据图2中。6–8，我们表明，从200次接触增加到数千个，没有改变LEIS，RAMAN和HD-SFG数据，但会导致粗糙度PSD中高频尾巴的平稳性。在扩展的数据图9中，我们与原始样本与故意粗糙的样本联系，其中光滑的样本再次充电。这些观察结果强烈表明，图4H中呈现的高频平滑确实是图2中接触偏置的原因，因此，我们系统中自发有序的驱动因素。

　　当我们在补充信息中进行彻底讨论时，悠久的观察历史引起了人们对机械史和表面形态的怀疑，但尚未清楚地确​​定每个电荷交换接触可能会纠缠这两者。最值得注意的是，最近的实验表明，“平滑聚合物负电荷”是广泛的29。从表面上看，串联序列订购的唯一概念飞跃是在接触过程中发生形态变化的发生，这是Bowden和Tabor45的摩擦学框架中完善的原理。这些事实使我们猜想在其他聚合物中频繁出现，尽管需要进一步的实验必须确定。对于除聚合物以外的其他绝缘子（例如，绝缘氧化物），我们不会扩展猜想。

　　我们得出的结论是，接触电气化的不可预测性毕竟不是那么绝望。通过仔细关注联系历史，我们不仅可以解释系统中的不可预测性，甚至可以驯服它。考虑到接触历史的效果，Triboelectric系列的概念可能是一个有用的启发式方法，但不多。如果效果广泛，那么追逐不可变的顺序与追逐幻影相当。最后，通过关注与相同材料的接触电气化以及其中的特定来源，我们会蒸馏出与其机制相关的最小成分。以（1）不可预测的现象，以及（2）由具有不同语言和概念偏见的独特科学学科研究，这种纯净的信息很有价值。在我们的系统中，它使我们能够得出结论，即充电的原因必须与纳米级接触力学密切相关。鉴于此，引言中的两种机制值得特别注意：机械化学和挠性性。前者提出，机械应变（在纳米级变形过程中变得异常大的机械应变）足以引起杂键键合裂解，并因此将带电物种解放为转移25,29,30。后者的夫妻将极化到机械应变梯度（在纳米级变形中也变得很大），因此可以预期在接触过程中会产生大型电场46。我们的数据不足以直接验证/无效这些假设中的任何一个，但迫使我们诱使猜测：两者都可能在起作用。因此，我们的工作要求更仔细考虑这些机制，即可能在合作中，特别关注接触电气的固有摩擦学性质。