在食品生产、娱乐特效及制药领域，淀粉以其独特的性质被广泛应用。然而，当淀粉变为细腻的粉末，它却隐藏着一种潜在的威胁。在某些特定环境下，淀粉粉尘可能会突然释放巨大的能量，引发爆炸，造成人员伤亡和财产损失。因此，了解和预防这类爆炸事故，对于工业安全至关重要。

理想与现实：

        防止爆炸需要更深入地了解绝缘且离散的淀粉颗粒是如何在各种环境条件下变得带电的。为了解开这一现象的神秘面纱，科研人员踏上了一段深入探究粉尘电荷的科学征程。英国与哥伦比亚的科研团队利用原子力显微镜纳米电学模块（AFM nanoelectrical imaging）和电容传感（macroscale capacitance sensing）进行表征，从不同尺度对淀粉静电危害进行了深入的分析（图1）。

AFM纳米电学测试如同一根敏感的触角，能够捕捉到淀粉颗粒表面微小的电荷变化。这种微观尺度上的观察为我们提供了关于粉尘颗粒电荷分布的直接证据。而宏观电容传感技术则能够在更大的尺度上感知环境因素，如温度、湿度和电频率对淀粉相对介电常数的影响。这些环境因素在淀粉粉尘爆炸中起着至关重要的作用。



图1 ：显示了宏观电容传感测试和利用AFM对单个淀粉颗粒进行EFM和KPFM测试，通过不同尺度的表征可以同时监控淀粉表面形貌，电荷分布，介电等特征。

 

结果与分析：

       实验过程中，研究团队精确控制实验条件的稳定与准确。在电频率(10-100 kHz)和相对湿度(26-41% RH)范围内，对散装淀粉样品进行了交错电极电容测量。借助牛津仪器装配有PolyHeater高温样品加热器的MFP-3D BIO 原子力显微镜，对在加热和冷却循环(25-80°C)中单个淀粉颗粒的形态变化和局部电性能进行了精细的观测（图2）。

       研究成果揭示了表面效应在粉尘云点火及其动力学行为中的关键作用。这为理解和预防淀粉粉尘爆炸提供了新的科学依据。这些发现不仅丰富了我们对淀粉性质的认识，也在保障人类生活安全方面作出了重要贡献。


图2 ：一个升降温周期内，淀粉粒中直链和支链淀粉的相互作用状态。从形貌，dC/dZ和表面电势变化来看，温度升高至80度后，再冷却至室温，淀粉粒内部会产生不可逆的变化，带来表面电特性的重组。

总的来说，淀粉粉尘爆炸并非不可防范的自然灾害，而是可以通过科学方法加以研究和控制的技术问题。淀粉粉尘爆炸的过程是一个动态而又复杂的科学问题。通过科研人员的努力，不仅推动了相关领域的科学研究，更为工业安全提供了宝贵的参考。

仪器使用与细节：  

       在配备了 PolyHeater 高温样品加热器的牛津仪器 MFP-3D BIO AFM 上，对单个淀粉颗粒的形貌和局部电性能进行了表征。PolyHeater 可在空气或受控气体环境中，为实验提供从环境温度到 300°C 的精确温度控制。在本项目中，一个加热/冷却循环周期，会以 25°C、50°C、80°C、50°C 和 25°C 的温控对样品进行成像。在每个温度点中，使用静电力技术（ electrostatic force microscopy (EFM) ）确定了电容梯度 dC/dZ，并在用开尔文探针力技术（Kelvin probe force microscopy (KPFM) ）对针尖-样品表面电位进行了成像。