Nature Physics: при изгибе лед генерирует электричество 

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что лёд является флексоэлектрическим материалом, то есть он может вырабатывать электричество при неравномерной деформации. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Physics, может иметь важные технологические последствия, а также пролить свет на такие природные явления, как молнии.

Замёрзшая вода — одно из самых распространённых веществ на Земле. Она встречается в ледниках, на горных вершинах и в полярных ледяных шапках. Хотя это вещество хорошо известно, изучение его свойств продолжает приносить интересные результаты.

Международное исследование с участием ICN2 (Каталонский институт нанонауки и нанотехнологий), проведенное в кампусе UAB, Сианьского университета Цзяотун (Сиань) и Университета Стоуни-Брук (Нью-Йорк), впервые показало, что обычный лед является флексоэлектрическим материалом.

Другими словами, он способен генерировать электричество при механической деформации. Это открытие может иметь важное значение для разработки будущих технологических устройств и помочь объяснить такие природные явления, как образование молний во время гроз.

Исследование представляет собой значительный шаг вперед в нашем понимании электромеханических свойств льда.

«Мы обнаружили, что лёд генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение при любых температурах. Кроме того, мы обнаружили тонкий „сегнетоэлектрический“ слой на поверхности при температурах ниже -113ºC», — объясняет один из ведущих исследователей исследования. Синь Вэнь из ICN2.

Это означает, что поверхность льда может обладать естественной электрической поляризацией, которая может быть обращена вспять при приложении внешнего электрического поля — подобно тому, как полюса магнита меняются местами. Поверхностное сегнетоэлектричество само по себе является интересным открытием, поскольку означает, что у льда может быть не один способ генерации электричества, а два: сегнетоэлектричество при очень низких температурах и флексоэлектричество при более высоких температурах, вплоть до 0 °C.

Это свойство ставит лед в один ряд с электрокерамическими материалами, такими как диоксид титана, которые в настоящее время используются в передовых технологиях, таких как датчики и конденсаторы.

Одним из самых удивительных аспектов этого открытия является его связь с природой. Результаты исследования предполагают, что флексоэлектричество льда может играть роль в электризации облаков во время гроз и, следовательно, в возникновении молний.

Известно, что молнии образуются, когда в облаках из-за столкновений ледяных частиц накапливается электрический потенциал, приобретающий электрический заряд. Этот потенциал затем высвобождается в виде удара молнии. Однако механизм, посредством которого ледяные частицы приобретают электрический заряд, остаётся неясным, поскольку лёд не является пьезоэлектриком — он не может генерировать заряд, просто сжимаясь при столкновении.

Однако исследование показывает, что лед может стать электрически заряженным, если он подвергается неоднородным деформациям, то есть когда он изгибается или деформируется нерегулярно.

«В ходе нашего исследования измерялся электрический потенциал, возникающий при изгибе ледяной пластины. В частности, брусок помещался между двумя металлическими пластинами и подключался к измерительному устройству. Результаты совпадают с ранее наблюдавшимися при столкновениях частиц льда во время гроз», — объясняет профессор Густаво Каталан из ICN2.

Таким образом, результаты показывают, что флексоэлектричество может быть одним из возможных объяснений возникновения электрического потенциала, приводящего к возникновению молний во время гроз.

Исследователи в группе уже изучают новые направления исследований, направленные на использование этих свойств льда для реальных приложений.

Хотя пока еще рано обсуждать потенциальные решения, это открытие может проложить путь к разработке новых электронных устройств, использующих лед в качестве активного материала, которые можно будет изготавливать непосредственно в холодных условиях.