在食品生產(chǎn)、娛樂特效及制藥領(lǐng)域，淀粉以其獨特的性質(zhì)被廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)?shù)矸圩優(yōu)榧?xì)膩的粉末，它卻隱藏著一種潛在的威脅。在某些特定環(huán)境下，淀粉粉塵可能會突然釋放巨大的能量，引發(fā)爆炸，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，了解和預(yù)防這類爆炸事故，對于工業(yè)安全至關(guān)重要。

理想與現(xiàn)實：

        防止爆炸需要更深入地了解絕緣且離散的淀粉顆粒是如何在各種環(huán)境條件下變得帶電的。為了解開這一現(xiàn)象的神秘面紗，科研人員踏上了一段深入探究粉塵電荷的科學(xué)征程。英國與哥倫比亞的科研團(tuán)隊利用原子力顯微鏡納米電學(xué)模塊（AFM nanoelectrical imaging）和電容傳感（macroscale capacitance sensing）進(jìn)行表征，從不同尺度對淀粉靜電危害進(jìn)行了深入的分析（圖1）。

AFM納米電學(xué)測試如同一根敏感的觸角，能夠捕捉到淀粉顆粒表面微小的電荷變化。這種微觀尺度上的觀察為我們提供了關(guān)于粉塵顆粒電荷分布的直接證據(jù)。而宏觀電容傳感技術(shù)則能夠在更大的尺度上感知環(huán)境因素，如溫度、濕度和電頻率對淀粉相對介電常數(shù)的影響。這些環(huán)境因素在淀粉粉塵爆炸中起著至關(guān)重要的作用。


 

圖1 ：顯示了宏觀電容傳感測試和利用AFM對單個淀粉顆粒進(jìn)行EFM和KPFM測試，通過不同尺度的表征可以同時監(jiān)控淀粉表面形貌，電荷分布，介電等特征。

 

結(jié)果與分析：

       實驗過程中，研究團(tuán)隊精確控制實驗條件的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。在電頻率(10-100 kHz)和相對濕度(26-41% RH)范圍內(nèi)，對散裝淀粉樣品進(jìn)行了交錯電極電容測量。借助牛津儀器裝配有PolyHeater高溫樣品加熱器的MFP-3D BIO 原子力顯微鏡，對在加熱和冷卻循環(huán)(25-80°C)中單個淀粉顆粒的形態(tài)變化和局部電性能進(jìn)行了精細(xì)的觀測（圖2）。

       研究成果揭示了表面效應(yīng)在粉塵云點火及其動力學(xué)行為中的關(guān)鍵作用。這為理解和預(yù)防淀粉粉塵爆炸提供了新的科學(xué)依據(jù)。這些發(fā)現(xiàn)不僅豐富了我們對淀粉性質(zhì)的認(rèn)識，也在保障人類生活安全方面作出了重要貢獻(xiàn)。


圖2 ：一個升降溫周期內(nèi)，淀粉粒中直鏈和支鏈淀粉的相互作用狀態(tài)。從形貌，dC/dZ和表面電勢變化來看，溫度升高至80度后，再冷卻至室溫，淀粉粒內(nèi)部會產(chǎn)生不可逆的變化，帶來表面電特性的重組。

總的來說，淀粉粉塵爆炸并非不可防范的自然災(zāi)害，而是可以通過科學(xué)方法加以研究和控制的技術(shù)問題。淀粉粉塵爆炸的過程是一個動態(tài)而又復(fù)雜的科學(xué)問題。通過科研人員的努力，不僅推動了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究，更為工業(yè)安全提供了寶貴的參考。

儀器使用與細(xì)節(jié)：  

       在配備了?PolyHeater 高溫樣品加熱器的牛津儀器 MFP-3D BIO?AFM 上，對單個淀粉顆粒的形貌和局部電性能進(jìn)行了表征。PolyHeater 可在空氣或受控氣體環(huán)境中，為實驗提供從環(huán)境溫度到 300°C 的精確溫度控制。在本項目中，一個加熱/冷卻循環(huán)周期，會以 25°C、50°C、80°C、50°C 和 25°C 的溫控對樣品進(jìn)行成像。在每個溫度點中，使用靜電力技術(shù)（?electrostatic force microscopy (EFM)?）確定了電容梯度 dC/dZ，并在用開爾文探針力技術(shù)（Kelvin probe force microscopy (KPFM)?）對針尖-樣品表面電位進(jìn)行了成像。