摩擦起電（Triboelectrification）是一種物質經過摩擦之後，表面得到電荷的物理現象。[1] 電荷大小取決於界面物質的組成[2]，並且可以可透過新興技術來產生能源[3-7] 。靜電聚集的機制相當複雜，並且顆粒物體情況下，由於碰撞的能量足以導致斷裂，所以更難看清。在這種「斷裂起電」（fractoelectric）機制裡，裂縫形成（crack initiation）跟擴展（propagation）被認爲是透過傳遞傳遞電子和/或離子在裂縫表面上來使粒子起電[8-9]。無論物質主要是摩擦起電還是斷裂起電，斷裂所造成的顆粒流（granular flows）通常包含表面電荷密度超過理論值每平方公尺 27 微庫倫（Micro Coulomb）的粒子[10-13]，或是電荷質量比在每公克 0.1-100 奈米庫倫之間的粒子[14-15]。目前研究起電的機制與程度以及如何控制整個過程的方法仍是人們非常有興趣的研究，特別是工業環境中，減少像是靜電放電（electrostatic discharges）或是結塊（agglomeration）的錯誤效果[16-20]。
化學性質複雜的材料（像是食品、木材）的起電在材料科學中給出了一些獨特且複雜的問題[21]。雖然大部分的食物不會因爲斷裂而形成明顯的起電，但咖啡是材質複雜度的典範，因爲咖啡全部都是要磨粉的，而且咖啡豆的化學組成取決於許多因素（像是烘焙、產地）[22-24]。這種影響特別在濃縮準備中特別重要，由於粉必須磨很細，導致有很大量的靜電產生。在此，我們利用咖啡來給出各種分子組成的有機物的起電過程的基本樣貌。我們會證明（1）傳統的咖啡參數（烘焙、內部含水量、研磨設定）導致烘焙過的咖啡豆的起電，並提供解釋其原因，（2）研磨中的摩擦起電跟斷裂起電之過程，且主要起電是來自於斷裂導致，以及（3）電荷量取決於咖啡豆內部跟外部的含水量，有更高的含水量會導致電荷聚集。對於產業規模的操作來說，無控制的咖啡起電會導致結塊，導致產品不均於以及通道阻塞。在沖煮端來說，電荷聚集也會影響液體固體之間的接觸能力[25]，導致萃取不均勻以及非預期的難喝濃縮咖啡[26]。在理解摩擦起電以及改善我們沖煮出更多再現性與可持續性的咖啡的情況下，這篇文章提供了控制咖啡粒子電荷的策略並從中提供一些機會。
我們首先採購了大量的市售烘焙好的咖啡豆，囊括許多咖啡生產國與處理方式。這些咖啡被進一步用處理法分類成日曬（N）、水洗（W）、低咖啡因（D），以及大部分都是單品咖啡除非有特別提及是配方豆。在表格 S1 中有詳細的咖啡豆資訊。咖啡烘焙的顏色可以使用分光光度法（spectrophotometric）量化，把咖啡以 Agtron 值分類。Agtron 值從 0（黑/燒焦）到 150（生豆/未烘焙），大部分的精品咖啡以我們的分光光度儀來說會落在 40-90之間。在圖片2中會有範例。
爲了評估咖啡豆的表面電荷，我們首先選擇了星巴克的黃金濃縮烘焙（一個深烘焙咖啡：Agtron 65.2，含水率 1.3%）然後把豆子倒在一個塗滿各種材質的震動斜坡上讓豆子滾下。在斜坡的末端，豆子會被集中到法拉第杯（Faraday Cup），會測量電荷跟重量（參見圖1A）咖啡通常在金屬表面上獲得比較少的電荷，但跟介電質（dielectric，譯註：可被電極化的絕緣物質）接觸的時候會獲得比較大的電荷。而爲了評估咖啡接觸其他物質的起電情況，我們在咖啡豆和研磨環境中的其他常見材料之間創建了一系列異質界面（heterointerfaces）。從 圖1B 中，會發現咖啡在接觸聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride, PVC）跟雙向拉伸對苯二甲酸乙二酯（Biaxially Oriented Polyethylene Terephthalate, 也稱作麥拉片（Mylay），一種咖啡研磨科技中廣泛使用的材料）會獲得正電，但在和玻璃與尼龍材質接觸的時候會獲得負電（圖1B）。咖啡在接觸一般紙的時候幾乎不會獲得電荷。這些資料顯示在摩擦起電的情況下，咖啡跟木頭、纖維素與穀物是類似的。
但咖啡豆必須研磨——會導致大量起電的過程。這個過程通常會產生粒徑在 100 奈米到 2 毫米的的粒子。粒徑分佈取決於研磨設定跟咖啡豆溫度[28]。在像是Mahlkönig EK43（一個配有 98 毫米刀盤的的磨豆機，見圖1C） 配置的平刀的情況下，研磨設定取決於兩片金屬刀盤之間的間隙所決定。比較細的研磨設定會導致更多的斷裂發生、咖啡與刀盤更長接觸時間，以及產生更多細粉（低於 100 毫米的粒子）跟比較小的粗粉（超過 100 毫米的粒子）。雖然特別是在磨豆機沒有接地的情況下話，研磨可以產生微小的火花，但起電主要的結果是導致粒子透過靜電力聚集在一起。
圖 1. 咖啡豆與粉的起電 (A) 咖啡豆從塗有各種材料的振動斜坡上滾下來的時候會積累電荷。 (B) 這些表面材料可根據其對咖啡豆的起電能力進行排序。這邊顯示，星巴克的黃金烘焙咖啡豆對鋼材的起電能力較弱，而玻璃和尼龍則會產生正電，PVC 和 Mylar 等塑料則會產生負電。 (C) 在斷裂過程中，咖啡顆粒會積累來自 刀盤與咖啡 跟 咖啡與咖啡 之間摩擦（摩擦起電）以及斷點（斷裂起電）的電荷。 (D) 研磨後，讓咖啡粉落在兩個電位差為 8.2 千伏的非平行電極之間來進行帶電的量化。電場按電性將顆粒分離，顆粒被收集到分離器底部的負電、中性和正電倉中。
咖啡樣品所獲得電量是用磨豆機出口下放置的法拉第杯來測量（圖 1C）。接著靜電機會回傳與帶電粒子成正比的電壓，其靈敏度是 10 nCV$^{-1}$ 。雖然我們在全部的實驗中都只使用 1 克（ 5-10 顆豆子），但不同實驗中，進去法拉第杯的咖啡粉量會不同（因爲刀盤之間的縫隙會殘留一些粉）。爲了考慮這個差異，我們用測量到的電荷量除以杯中粉重來標準化，讓我們可以計算每單位質量累積電荷（Q/m）比例（即杯中咖啡粉的總電荷）。此外，我們設計了不同的實驗來區分正電、負電跟中性粒子。用兩塊平行、電位差爲 8.2 KV 的板子所組成的靜電分離器取代法拉第杯，並且研磨 10 克咖啡，帶負電的粒子會朝向正極飄移、正電的粒子會飄向負極，而中性粒子會垂直掉落。接著粒子影像分析跟與雷射光繞射粒徑分析可以用來確認是否代電性會影響粒徑分佈，還可以確認每個容器的 Q/m 值。
使用這個研究裝置，我們首先檢驗了三種墨西哥咖啡（圖 2A）。這些樣品分別呈現純帶正電、純帶負電跟同時帶有正負電。但這些咖啡是有不同的烘焙師烘焙，並且有不同的顏色，並且毫不意外，資料表明單獨產地並不能決定帶電。圖 2B 用總結 30 種咖啡的帶電跟 Agtron 值中間的函數關係。雖然我們觀察到有正電有負電，但帶正電的 Q/m 值範圍大致上都比帶負電的 Q/m 值來的小（前者小於 50 nCV$^{-1}$，後者小於 120 nCV$^{-1}$）我們觀察到烘焙度跟帶電性之間微弱的關係，帶正電的情況只出現在 Agtron 超過 70。而烘焙後的內部含水率則跟帶電性跟帶電量有較好的關係（圖 2C）。這邊可以看到，從負電轉移到正電發生在當含水率超過 2% 的時候。圖 2B 跟 圖 2C 中值分散廣泛很可能反映出 Agtron 值不是特定咖啡的獨特屬性——似乎有成無數種烘焙方式可以達到相同的顏色。舉例來說，可以深焙可以透過低溫且很總時間長的烘焙方式或是高溫快炒。此外，烘焙前的生豆內部含水率也會隨著時間跟儲存環境改變[29]。這兩個變數都很大的影響了烘焙後化學組成[30]，且也知道會影響到最終的飲品性質[31]。
然而，烘焙後的含水量與帶電從負電到正電之間的關係有些出人意料，因為其他研究顯示，Q/m 比率隨著水分的增加而降低[32]。有一種可能是帶電性翻轉反映了斷裂時的應變（strain，譯註：應變在力學中定義為一微小材料元素承受應力時所產生的形變強度）程度[33]。在該研究中，較低的應變度與負電荷有關。由於深焙咖啡比較脆，因此與韌性較好的淺焙咖啡相比，黑咖啡在斷裂前可承受的應變較小。另一個可能的則是水影響了咖啡的物理性質，這部分我們在文章的後面會討論。
除了進行 Q/m 的測量，我們也根據帶電性分離了粒子，並拍照對他們測量粒徑大小。帶正電與負電與粒徑關係的範例如圖 2D。這些資料說明粗粉帶負電，並且跟烘焙度、處理法還有產地無關。高速攝影機告訴我們這些粗粉比細粉先從磨豆機出來，這解釋了爲什麼我們偶爾會觀察到帶負電粒子先進入法拉第杯，即使最終的靜帶電量是正電（參見圖 2D 的附圖跟 2A 的第三個圖）。細粉（小於 100 毫米）有些微的帶負電的傾向，或是帶正負電量相同。各粒徑的帶電分佈是更複雜的。我們觀察，無論最後淨電量是多少，帶正電的粒子量的峰值是直徑 100-300 毫米。對於淺焙來說，這個粒徑範圍的量超過帶負電粒子。而比較低 Agtron 的咖啡，雖然正電粒子量的最大值保持不變，但帶負電的粒子在各個粒徑範圍都超過正電粒子數。換句話說，這個中間範圍的粒子的帶電性決定了整體的咖啡的淨 Q/m 值。這個範圍也通常是傳統上用來沖煮義式濃縮咖啡的粒徑範圍，讓義式咖啡沖煮的可重複性提高了許多挑戰[26]。
無論相對的帶電量躲少，在所有咖啡中，正電粒子的平均直徑一般都小於負電粒子（圖 2D 中用平均箭頭表示）。這種與大小有關的雙極帶電現象讓我們對研磨過程中的基本起電機制有了更深入的了解。較大顆粒帶負電的觀察結果與 James 跟其他人[10] 中火山浮石斷裂電荷分離一致。雖然在任何特定的斷裂過程中都可能會產生相同數量的正負表面，但作者們假設，隨後的離子清除過程（ion-scavenging）會導致不同大小的顆粒產生相反極性的電荷。這種大顆帶負電和小顆帶正電的偏見與傳統的摩擦起電（即幾乎沒有斷裂的過程）是相反的[35]。在這種情況下，電荷分離（charge segregation）是歸因於被捕捉電子（trapped electrons）的交換與極化[36]和水合離子[37]。目前，我們可以總結的是：深焙咖啡似乎比淺焙咖啡帶更多負電荷，大顆粒子會帶負電，但市售咖啡的起電似乎是難以預測。
圖 2. 市售咖啡的起電機制 (A) 三種墨西哥咖啡——Tacámbaro（N）、Mané（B）和 Temascaltepec（W）——顯示了三種可能的起電機制。 (B) 在研磨度 2.0 下各種咖啡的電荷質量比與 Agtron 的函數關系。電荷量和帶電性與咖啡後製之間沒有很強的關系。信賴帶（confidence band）為 90%。在顏色較深的咖啡（Agtron 小於等於 70）中觀察到起電性轉換。負電荷的大小隨著咖啡顏色的加深而增加。 (C) 內部水分——一種與烘焙色號成正比的屬性——會產生更多的正電荷。水分含量比顏色更能預測電荷質量比。 (D) 對 Kolla（W，一種帶正電的咖啡）和 Mané（一種帶負電的咖啡）這兩種具有代表性的咖啡所收集到的粒子進行檢測後發現，帶正電的微粒通常比粗粉要小，如同藍色箭頭所表示平均值所呈現。 (B) 和 (C) 中的誤差棒代表最少 3 次測量的一個標準差範圍。
圖 2 中的資料點出的咖啡業界的一個常見問題：用淺焙、中焙、深焙來秒數最終顏色，在某種程度上提供了一點風味描述[38]。但烘焙顏色不能提供足夠關於化學組成跟因此而產生的起電相關的資訊。資料中大量的資料點反應了產地跟處理法綜合影響[39]，跟把他從生豆變成熟豆溫度曲線[40,41]。許多咖啡烘焙業者把他們的烘焙曲線當成獨家祕方，而且只靠檢驗熟豆就要逆推準確的烘焙曲線幾乎是不可能的。將產業的烘焙方式標準化，從而對不同咖啡進行直接比較，是具有學術價值。但我們並不主張在生產上這樣做，因為這樣做會扼殺行業的藝術性。相反的，我們開發了自己的烘焙曲線，目的是通過有系統性的開發「深焙咖啡」來隔離烘焙曲線的影響。
仲所皆知，烘焙前的內部含水率決定了烘焙導致膨脹度跟其他特性[42]，我們從衣索比亞的耶加雪菲（Yirgacheffe）找到了一個「YigZ」的咖啡生豆，烘焙前內部含水率是 12% 。這個生豆透過 Ikawa Pro100 烘焙，每次增加最終出風口溫度 2℃ 跟烘焙時長 60 秒來達到五種不同的烘焙度。(圖 3A 藍色）第六種烘焙度則是在第五個曲線再額外多 8℃ 跟 180 秒。此外我們也進行了第二種烘焙方式，差別在我們把他稱作「莫爾斯時間」（Morse Time，Ikawa 的出風口溫度讀數達到初始的進豆溫度經驗時間）的參數有所不同。比較長的莫爾斯時間的曲線則每次增加 3℃ 跟 60 秒（圖 3A，紫色）。圖 3A 呈現了最短的（實線）跟最長（虛線）的烘焙曲線。總而言之，我們有 12 條不同的烘焙曲線，其細節呈現在表格 S2 中。