盡管最近的研究表明泰勒斯的故事在很大程度上是值得懷疑的，但三電效應(yīng)（源于希臘語(yǔ) τρ?βω: "摩擦 "和 ηλεκτρoν: "琥珀"）肯定是真實(shí)存在的，而且很可能是人類(lèi)所知電的最早表現(xiàn)形式。
一個(gè)表面帶正電，另一個(gè)表面帶負(fù)電。
有些影響可能是平凡而熟悉的，當(dāng)你的腳在鋪有地毯的地板上拖行之后，觸摸門(mén)把手時(shí)可能會(huì)感覺(jué)到電擊，但有些影響則更為劇烈：火山閃電風(fēng)暴，或由帶電宇宙塵埃形成的行星，也是這種靜電的結(jié)果。
令人驚訝的是，盡管靜電是一種眾所周知的現(xiàn)象，但人們?nèi)匀粺o(wú)法完全理解材料產(chǎn)生靜電的原因和方式。
當(dāng)物理學(xué)家為靜電的來(lái)源撓頭時(shí)，咖啡師和其他咖啡專(zhuān)業(yè)人士卻每天都在與靜電打交道。
研磨，將整?？Х榷寡心コ杉?xì)粉的過(guò)程，是咖啡顆粒與研磨元件（如刀盤(pán)）之間反復(fù)、破壞性摩擦接觸的基礎(chǔ)，而這些條件必然會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的充電。
例如，用 Mahlkonig EK43，研磨的咖啡可能會(huì)產(chǎn)生高達(dá)每克數(shù)十納庫(kù)侖（nC/g）的電荷，這種電荷水平甚至可與在，嚴(yán)重雷云、電化火山灰羽流中測(cè)量到的電荷水平相當(dāng)。
偶爾，咖啡充電的強(qiáng)度可能足以產(chǎn)生小火花。但更常見(jiàn)的情況是，靜電荷會(huì)產(chǎn)生靜電力，使咖啡渣相互吸引并附著在表面上（就像泰勒斯所說(shuō)的琥珀和紙屑一樣）。
不足為奇的是，尤其是對(duì)于那些大部分時(shí)間都待在濃縮咖啡機(jī)后面的人來(lái)說(shuō)，研磨得越細(xì)，靜電就越明顯。
最明顯的是，它們會(huì)具有顆粒間的結(jié)塊（"聚集"）、磨豆機(jī)內(nèi)的殘粉量增加，工作臺(tái)上的混亂。
除此之外，咖啡粉結(jié)塊還會(huì)給沖泡帶來(lái)更隱蔽的后果：咖啡粉結(jié)塊會(huì)改變咖啡粉中的固體顆粒與沖泡水的接觸方式，從而導(dǎo)致水在咖啡粉中的流動(dòng)方式發(fā)生變化（"咖啡粉床孔隙率變化"）。
換句話(huà)說(shuō)，靜電不止讓我們?cè)诓僮?、清潔起?lái)更費(fèi)時(shí)外，尤其是對(duì)濃縮咖啡，它直接影響了我們復(fù)制萃取方案，與最終獲得的咖啡品質(zhì)。
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我們測(cè)量研磨咖啡電荷的實(shí)驗(yàn)裝置。在這項(xiàng)研究中，所有咖啡都是用 Mahlkonig EK43 磨豆機(jī)，刀盤(pán)為 98 毫米，我們測(cè)量電荷的方法是讓咖啡粉聚集在法拉第杯（一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)收集帶電粒子進(jìn)行測(cè)量的金屬杯）中。
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（a）：咖啡研磨過(guò)程中獲得的最大電荷質(zhì)量比，與科學(xué)文獻(xiàn)中報(bào)道的其他粒子系統(tǒng)（如雷云和火山灰羽流）中的電荷質(zhì)量比進(jìn)行比較。
（b）：咖啡磨得越細(xì)，電化越明顯（顯示為 "電荷質(zhì)量比"）。電荷的增加導(dǎo)致聚集（結(jié)塊） 中的插圖顯示了一個(gè)咖啡團(tuán)塊，由一個(gè)大顆粒粉和無(wú)數(shù)被靜電力 "粘 "在上面的極 細(xì)粒組成。
了解靜電：在哪里？
如果我們想解決研磨過(guò)程中的帶電問(wèn)題及其對(duì)萃取的影響，就必須了解電是在哪里以及如何產(chǎn)生的。
材料表面特性的復(fù)雜性以及環(huán)境條件如何影響這些特性，在很大程度上是我們對(duì)靜電認(rèn)識(shí)不足的原因。
例如，在高溫下通電的表面所獲得的電荷可能與在低溫下通電的看似相同的材料所獲得的電荷大相徑庭。
為了具體了解咖啡中的這種復(fù)雜性，我們研究了約 30 種不同市售咖啡在研磨時(shí)的帶電情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論我們是在尋找產(chǎn)生的靜電與烘焙度之間的關(guān)系，還是在尋找產(chǎn)生的靜電與咖啡含水量之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)都非常分散。
雖然這些因素與產(chǎn)生的電荷之間存在一定的相關(guān)性（淺烘焙咖啡會(huì)產(chǎn)生正電荷，而深色烘焙咖啡則會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷），但這些關(guān)系在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是 "弱 "的。這可能是因?yàn)榉N植、加工和烘焙條件的變化等因素的復(fù)合效應(yīng)，生豆的所有特征及其烘焙，會(huì)改變其最終的化學(xué)成分，進(jìn)而影響研磨過(guò)程中靜電的產(chǎn)生。
為了更好地測(cè)試這些關(guān)系，我們采用了一種單一產(chǎn)地的咖啡，經(jīng)過(guò)水洗的無(wú)任何瑕疵的埃塞俄比亞 Yirgacheffe 咖啡，并制定了兩套烘焙曲線，這樣我們就可以分離出顏色和殘留水含量對(duì)靜電的影響。
然后，我們用這兩套烘焙曲線烘焙咖啡，系統(tǒng)地增加烘焙總長(zhǎng)度和烘焙溫度。
在比較其中最短（即最淺）的烘焙曲線和最長(zhǎng)（即最深）的烘焙曲線時(shí)，我們觀察到了與市售咖啡類(lèi)似的結(jié)果：較深（較干）的烘焙咖啡帶負(fù)電荷，而較淺（殘留水分較多）的烘焙咖啡則帶正電荷。
我們?cè)俅伟l(fā)現(xiàn)，電化與顏色的相關(guān)性很弱（即數(shù)據(jù)中存在大量 "散射"），在 Agtron 顏色為 70-80 時(shí)，電荷從正向過(guò)渡到負(fù)向。
然而，在水分方面，我們發(fā)現(xiàn)與在市售咖啡中觀察到的行為截然不同：雖然一旦咖啡的含水量達(dá)到約 2%，仍會(huì)出現(xiàn)從負(fù)電荷到正電荷的過(guò)渡，但我們發(fā)現(xiàn)水分與電荷之間的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系，而不是線性關(guān)系。
在其他工藝中也觀察到過(guò)這種關(guān)系，而我們發(fā)現(xiàn)兩者之間的相關(guān)性要強(qiáng)得多。這說(shuō)明烘焙咖啡的內(nèi)部殘留水分可以很好地預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的電荷，而與顏色無(wú)關(guān)。換句話(huà)說(shuō)：烘焙的顏色雖然提供了一個(gè)風(fēng)味參考點(diǎn)，但并不能提供足夠的化學(xué)成分和產(chǎn)生靜電的信息，而內(nèi)部含水量似乎是產(chǎn)生靜電的主要因素（以及產(chǎn)生多少），因此它是一個(gè)有用的預(yù)測(cè)指標(biāo)。
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約 30 種商用咖啡的電氣化總結(jié)，作為（a）Agtron 顏色和（b）殘留水分含量的函數(shù)。電荷似乎與烘焙顏色的相關(guān)性較弱，但與含水量的相關(guān)性稍大 （a）中的各個(gè)點(diǎn)并沒(méi)有像（b）中的各個(gè)點(diǎn)那樣緊跟紅色虛線。顏色較深（較干）的烘焙往往會(huì)產(chǎn)生負(fù)電荷，而顏色較淺（保留較多水分）的烘焙則會(huì)產(chǎn)生正電荷。雖然這里沒(méi)有顯示，但電荷似乎與產(chǎn)地或加工過(guò)程無(wú)關(guān)。
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以系統(tǒng)化的方式烘焙出不同風(fēng)味的單一咖啡（水洗埃塞俄比亞 Yirgacheffe 咖啡）的電氣化總結(jié)。（a）：測(cè)試的最長(zhǎng)和最短烘焙曲線。 (b)：烘焙顏色對(duì)靜態(tài)生成的影響；與商業(yè)樣品一樣，該圖顯示了靜態(tài)生成與烘焙顏色之間的 "弱 "相關(guān)性。（c）：殘余水分含量和靜電電荷的影響；存在明顯的指數(shù)關(guān)系。
管理靜電：只需加水
在確定了導(dǎo)致咖啡帶電的參數(shù)之后，我們現(xiàn)在來(lái)談?wù)剳?yīng)對(duì)靜電的策略。
人們可能會(huì)傾向于在磨豆機(jī)的構(gòu)造中使用更多接地的金屬部件，希望能將部分電荷漏走（就像接地避雷針在雷雨天氣中對(duì)大地放電一樣）。
但問(wèn)題是，干咖啡是一種絕緣體，這意味著它不容易傳導(dǎo)電荷。
因此，雖然與接地金屬直接接觸的微粒一側(cè)的電荷會(huì)被中和，但與這些接地部件保持一定距離的微粒表面的電荷仍會(huì)留在原處。
因此，僅僅接地可能會(huì)導(dǎo)致更多問(wèn)題而不是解決方案：即使在一定距離內(nèi)，殘留電荷也會(huì)被接地表面吸引，導(dǎo)致微粒粘附在上面。雖然接地條可以防止微粒飛散，但也有可能增加微粒的滯留。
對(duì)于絕緣顆粒上的殘留電荷問(wèn)題，有兩種可能的解決方案：
1. 增加電荷的流動(dòng)性（例如通過(guò)提高顆粒的導(dǎo)電性）
2. 向咖啡粉中 "注入 "極性相反的電荷，以中和不流動(dòng)的電荷
第一種減少靜電荷的方法（增加電荷的流動(dòng)性）在咖啡界（尤其是咖啡師）已經(jīng)實(shí)施了很長(zhǎng)時(shí)間?？Х葞熀涂Х葠?ài)好者偶爾會(huì)把這種方法稱(chēng)為 "羅斯液滴技術(shù)"（RDT），即在研磨咖啡豆之前，用噴壺或滴管向咖啡豆中加入少量的水。
從理論上講，這種自由水（即不含在咖啡中的水）的添加會(huì)增加顆粒表面的導(dǎo)電性，激活被截留的正負(fù)電荷重新結(jié)合或流向接地表面的通道。
除了增加重組外，添加的水還可能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)改變咖啡的表面成分，從而導(dǎo)致充電效率降低。為了了解研磨過(guò)程中產(chǎn)生的靜電，我們的下一步是探索加水是否會(huì)減少靜電。
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接地不足。(a):帶電粒子與接地金屬表面之間的相互作用示意圖。與表面接觸的電荷可能會(huì)被中和，但由于咖啡的絕緣性能，距離較遠(yuǎn)的電荷（甚至是同一顆粒上的電荷）可能無(wú)法流向接地。這些電荷仍會(huì)產(chǎn)生作用力，使顆粒被吸引到接地表面。(b)：帶電粒子在 EK43 磨豆機(jī)滑道接地條上的照片。雖然該接地條可以減少帶電微粒的散射，但并不能減少滯留。
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含水量對(duì)靜電荷和粒度分布的影響。（a）：無(wú)論 "干 "電荷極性如何，加入少量水都會(huì)顯著降低電化。(b)：電荷的減少減輕了結(jié)塊現(xiàn)象，也大大降低了殘粉率。
為此，我們研磨了一部分相同的商業(yè)咖啡，并增加了水量，從每克全豆 0 微升到 20 微升不等，以測(cè)量靜電和結(jié)塊的變化（分別為 "顆粒電荷 "和 "顆粒分布"）。即使在含水量很低的情況下，我們也注意到電氣化明顯下降，但在最高含水量為 20 μL/g 時(shí)，加水會(huì)使電荷質(zhì)量比降低一半。
此外，隨著電荷的減少，咖啡顆粒結(jié)塊的能力也隨之減弱：這種 "解聚 "導(dǎo)致顆粒大小分布向直徑更小的方向移動(dòng)，反映出結(jié)塊分解為單個(gè)顆粒。靜態(tài)較少是否意味著磨豆機(jī)中的殘粉量更少？是的：每克加入 10 μL 水后，深烘焙咖啡的殘粉率從 10% 以上降至 2.5% 左右。
雖然這些影響有點(diǎn)顯而易見(jiàn)，但我們還是要探索在研磨過(guò)程中加水會(huì)對(duì)沖泡產(chǎn)生什么影響。當(dāng)我們?cè)谘心デ凹尤?10 μL/g 的水時(shí)，我們注意到兩件重要的事情：與研磨前未噴水的咖啡相比，意式濃縮咖啡的沖泡時(shí)間延長(zhǎng)了近 50%，才能達(dá)到所需的沖泡量。此外，咖啡的流速也明顯下降。我們還注意到杯中濃度的變化：用“干豆咖啡”萃取的意式濃縮咖啡的總?cè)芙夤腆w（TDS）為 8.2%，而用 "濕豆咖啡“萃取的意式濃縮咖啡的總?cè)芙夤腆w（TDS）為 8.7%。
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添加預(yù)磨水對(duì)濃縮咖啡的質(zhì)量和流速動(dòng)態(tài)的影響。在這兩幅圖中，棕色線條顯示的是不加預(yù)磨水的意式濃縮咖啡的動(dòng)態(tài)；藍(lán)色線條顯示的是加了預(yù)磨水的意式濃縮咖啡的動(dòng)態(tài)。加水后萃取時(shí)間增加，流速降低，同時(shí)導(dǎo)致 TDS 增加 0.6%。
從物理學(xué)的角度來(lái)看，我們認(rèn)為 TDS 的這種變化是由于粉餅密度增加了，因?yàn)榧?xì)小顆粒和較粗的粉不會(huì)相互產(chǎn)生靜電吸引。這意味著，隨著咖啡塊的散落，咖啡粉之間能夠有效地均勻混合，從而使水在沖泡咖啡時(shí)更均勻地接觸咖啡。在 2020 年的論文中，卡梅倫等人認(rèn)為，更細(xì)的研磨可能會(huì)導(dǎo)致萃取不均勻和不穩(wěn)定（由于咖啡粉餅孔隙率不受控制），但我們的研究結(jié)果表明，在研磨前向烘焙咖啡中加水，可使咖啡粉餅均勻化，直接解決這一問(wèn)題。
加水后濃度的增加（約 10-15%）肯定會(huì)影響口感，但同時(shí)也會(huì)對(duì)咖啡業(yè)產(chǎn)生重要的成本節(jié)約影響，因?yàn)榭Х葮I(yè)的產(chǎn)值高達(dá) 3432 億美元，占美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 1.5%。而這些實(shí)驗(yàn)只是強(qiáng)調(diào)了單一研磨粒度在 TDS 和流速方面的變化！關(guān)于 RDT 對(duì)使用其他沖煮比例和研磨設(shè)置制作咖啡的影響，還有更多值得學(xué)習(xí)的地方。如果您愿意在研磨機(jī)中加入少量的水，我們希望這能激發(fā)您親自探索這些變量。
許多咖啡專(zhuān)業(yè)人士都熟悉在研磨咖啡前加一勺水的做法，再加上本文提供的數(shù)據(jù)，表明這種做法可以解決結(jié)塊、通道和萃取不良等問(wèn)題。
不過(guò)，由于過(guò)多的水可能會(huì)促進(jìn)磨豆機(jī)內(nèi)部的生銹或腐蝕，最近人們開(kāi)始關(guān)注開(kāi)發(fā) "干式 "靜電消散技術(shù)。這些方法通常涉及產(chǎn)生自由離子，即中和咖啡顆粒上電荷的帶負(fù)電或帶正電的氣體分子。
我們?cè)诹硪豁?xiàng)研究中對(duì)這種方法進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其效果在很大程度上取決于正在研磨的咖啡（即烘焙色澤和水分含量）以及離子的添加點(diǎn)（例如在磨豆機(jī)的輸出端或研磨腔本身）。除了用水和電離之外，可能還有其他減少電荷的策略，例如選擇具有防靜電涂層的刀盤(pán)材料，或設(shè)計(jì)具有電荷消散幾何形狀的磨豆機(jī)造型（就像飛機(jī)機(jī)翼上的靜電吸芯）；這些方法都值得詳細(xì)探討。
迄今為止，人們對(duì)咖啡研磨過(guò)程中的靜電一直視為負(fù)面現(xiàn)象，但這種普遍存在的帶電現(xiàn)象可能會(huì)帶來(lái)一些好處。也許這種充電行為揭示了其他指標(biāo)所無(wú)法看到的化學(xué)和物理特性；畢竟，正如我們上文所說(shuō)，接觸和摩擦起電正是源于這些材料特性。
事實(shí)上，這種想法在其他領(lǐng)域也得到了積極探索：例如，火山學(xué)家們?cè)谶^(guò)去 20 年中將顆粒帶電與活火山噴發(fā)的火山灰、蒸汽和其他化合物的數(shù)量聯(lián)系起來(lái)。
其他研究人員已經(jīng)證明，某些塑料所產(chǎn)生的靜電對(duì)液體和氣體中的污染物很敏感，從而可以檢測(cè)環(huán)境中的有害化學(xué)物質(zhì)。
類(lèi)似的方法是否也可以用來(lái)找出整粒豆子中的缺陷或監(jiān)測(cè)混合物的成分和均勻性？靜電作為診斷工具的可能性令人興奮，但在咖啡方面幾乎還沒(méi)有被探索過(guò)。
雖然電化學(xué)在咖啡中的應(yīng)用似乎是一個(gè)相當(dāng)小眾的研究領(lǐng)域，盡管令人興奮！但我們從實(shí)驗(yàn)中獲得的啟示卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了咖啡杯的范圍，它影響了我們對(duì)與藥粉、火山爆發(fā)甚至土星衛(wèi)星土衛(wèi)六的沙丘相關(guān)的電化過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
約書(shū)亞-門(mén)德斯-哈珀（JOSHUA MéNDEZ HARPER）助理教授是波特蘭州立大學(xué)的電氣工程師，從事靜電學(xué)中模糊問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究。
克里斯托弗-亨登（CHRISTOPHER H. HENDON）副教授是俄勒岡大學(xué)的計(jì)算材料化學(xué)家，負(fù)責(zé)亨登材料模擬小組。
我們還要感謝學(xué)生 ROBIN BUMBAUGH、ELENA COPE、LEIF LINDBERG、JUSTIN PHAM、CONNOR MCDONALD、ELIAS RHEINGOLD 和 LENA WEHN 為本項(xiàng)目做出的寶貴貢獻(xiàn)。此外，我們還要感謝我們的同事 JOSEF DUFEK 和 YONG-HYUN KIM。
這項(xiàng)工作得到了咖啡科學(xué)基金會(huì)（Coffee Science Foundation）的支持，并由Nuova Simonelli公司提供資金支持。
閱讀學(xué)術(shù)論文全文：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005
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■ 文章來(lái)源：CORE 咖啡專(zhuān)業(yè)號(hào)
■ 文章作者：咖啡才鳥(niǎo) James
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