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(kāi)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(guó)與哥倫比亞的科研團(tuán)隊(duì)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(duì)淀粉靜電危害進(jìn)行了深入的分析（圖1）。

 

AFM納米電學(xué)測(cè)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(duì)淀粉相對(duì)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(cè)試和利用AFM對(duì)單個(gè)淀粉顆粒進(jìn)行EFM和KPFM測(cè)試，通過(guò)不同尺度的表征可以同時(shí)監(jiān)控淀粉表面形貌，電荷分布，介電等特征。
 

圖1 ：顯示了宏觀電容傳感測(cè)試和利用AFM對(duì)單個(gè)淀粉顆粒進(jìn)行EFM和KPFM測(cè)試，通過(guò)不同尺度的表征可以同時(shí)監(jiān)控淀粉表面形貌，電荷分布，介電等特征。

 

 

       實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)精確控制實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。在電頻率(10-100 kHz)和相對(duì)濕度(26-41% RH)范圍內(nèi)，對(duì)散裝淀粉樣品進(jìn)行了交錯(cuò)電極電容測(cè)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(duì)在加熱和冷卻循環(huán)(25-80°C)中單個(gè)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(cè)（圖2）。

 

       研究成果揭示了表面效應(yīng)在粉塵云點(diǎn)火及其動(dòng)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(duì)淀粉性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，也在保障人類(lèi)生活安全方面作出了重要貢獻(xiàn)。

 

圖2 ：一個(gè)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(shì)變化來(lái)看，溫度升高至80度后，再冷卻至室溫，淀粉粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不可逆的變化，帶來(lái)表面電特性的重組。 
 

圖2 ：一個(gè)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(shì)變化來(lái)看，溫度升高至80度后，再冷卻至室溫，淀粉粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不可逆的變化，帶來(lái)表面電特性的重組。

 

       總的來(lái)說(shuō)，淀粉粉塵爆炸并非不可防范的自然災(zāi)害，而是可以通過(guò)科學(xué)方法加以研究和控制的技術(shù)問(wèn)題。淀粉粉塵爆炸的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)而又復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)科研人員的努力，不僅推動(dòng)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。

 

 

       在配備了?PolyHeater 高溫樣品加熱器的牛津儀器 MFP-3D BIO?AFM 上，對(duì)單個(gè)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(shí)驗(yàn)提供從環(huán)境溫度到 300°C 的精確溫度控制。在本項(xiàng)目中，一個(gè)加熱/冷卻循環(huán)周期，會(huì)以 25°C、50°C、80°C、50°C 和 25°C 的溫控對(duì)樣品進(jìn)行成像。在每個(gè)溫度點(diǎn)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(kāi)爾文探針力技術(shù)（Kelvin probe force microscopy (KPFM)?）對(duì)針尖-樣品表面電位進(jìn)行了成像。

 

        牛津儀器MFP-3D系列AFM設(shè)備，以優(yōu)惠的價(jià)格提供了超預(yù)期的性能，實(shí)現(xiàn)了同級(jí)低的噪音水平。對(duì)于需要結(jié)合AFM和光學(xué)顯微鏡的生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)或其他應(yīng)用，MFP-3D BIO?提供了一個(gè)的集成平臺(tái)。

 

相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域：制藥領(lǐng)域（pharmaceutical），食品領(lǐng)域（?food）

 

引用:?J. Seidel, O. Castañeda-Uribe, S. Arevalo et al. Relative permittivity estimation of wheat starch: A critical property for understanding electrostatic hazards. J. Hazard. Mater. 368, 228 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.01.047