Международная группа учёных обнаружила, что обычный лёд может генерировать электричество, когда его сгибают или деформируют неравномерно, что может перевернуть наше представление о природных явлениях, таких как формирование молний, а также открыть путь новым технологиям для холодного климата.
Революционное исследование, опубликованное в журнале Nature Physics и проведённое при участии учёных из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2) на кампусе UAB, Сианьского транспортного университета в Китае и Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке, впервые демонстрирует, что лёд обладает флексоэлектрическими свойствами. Это означает, что замёрзшая вода может производить электрический заряд при механическом воздействии или неравномерной деформации, хотя не способна генерировать электричество под простым давлением.
Двойные механизмыдля выработки электроэнергии
Исследовательская группа сделала неожиданное открытие помимо флексоэлектричества. По словам доктора Синь Вэнь, члена группы Оксидной нанофизики ICN2 и ведущего исследователя, лед также проявляет сегнетоэлектрические свойства при крайне низких температурах.
«Мы обнаружили, что лед генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение при всех температурах», — объяснила Вэнь. «Кроме того, мы идентифицировали тонкий “сегнетоэлектрический” слой на поверхности при температурах ниже -113°C (160K). Это означает, что лед может иметь не один, а два способа генерировать электричество: сегнетоэлектричество при очень низких температурах и флексоэлектричество при более высоких температурах вплоть до 0°C».
Исследователи измерили коэффициент флексоэлектричества льда, который составил 1,14 нК/м, что ставит его в один ряд с современными электро-керамическими материалами, такими как диоксид титана, используемыми в датчиках и конденсаторах.
Тайна молнии, возможно, раскрыта
Это открытие предлагает убедительное объяснение одной из давних загадок метеорологии: как ледяные частицы в грозовых облаках приобретают электрический заряд, приводящий к возникновению молний. Хотя ученым уже давно известно, что молния формируется, когда в облаках накапливается электрический потенциал из-за столкновений между ледяными частицами, механизм этого заряжения оставался неясным.
Профессор Густав Каталан, руководитель группы оксидной нанофизики ICN2, провел эксперименты, которые могут изменить метеорологические представления. «Во время наших исследований мы измеряли электрический потенциал, создаваемый при изгибе пластины льда. Полученные результаты совпадают с теми, что ранее наблюдались при столкновениях ледяных частиц в грозовых облаках», — отметил он.
Команда помещала блоки льда между металлическими пластинами, соединенными с измерительными приборами, и выяснила, что электрические сигналы, возникающие при изгибе льда, совпадают с наблюдениями из реальных столкновений ледяных частиц в грозовых облаках.
Будущие применения в холодных условиях
Хотя исследования находятся на ранней стадии, учёные изучают, как электрические свойства льда могут привести к появлению инновационных приложений. Это открытие может позволить разработку электронных устройств, использующих лёд в качестве активного материала, которые, возможно, можно будет создавать непосредственно в полярных регионах, на высокогорье или в других холодных условиях, где традиционная электроника может испытывать трудности.
По словам исследователей, эти электромеханические свойства льда «могут найти применение для недорогих преобразователей, изготавливаемых на месте в холодных и удалённых районах». Эта технология может оказаться особо ценной для научного оборудования, работающего в экстремальных условиях холода, или для сенсорных приложений в ледниковых областях.
Полученные результаты бросают вызов прежним предположениям относительно электрических свойств льда и указывают на то, что одно из самых распространённых веществ на Земле обладает нераскрытым технологическим потенциалом, одновременно предоставляя новые знания о фундаментальных процессах, лежащих в основе некоторых из наиболее впечатляющих явлений природы.