Лід може генерувати електрику під час згинання, і цей процес називається флексоелектрикою. Це відкриття пов’язане з утворенням блискавок та можливим майбутнім застосуванням у пристроях.
Лід є одним із найпоширеніших матеріалів на Землі — він покриває льодовики, гірські хребти та полярні регіони. Попри його знайомість, постійні дослідження продовжують розкривати дивовижні аспекти його поведінки.
Команда дослідників з ICN2 на кампусі UAB, Сіаньського університету Цзяотун (Сіань) та Університету Стоуні-Брук (Нью-Йорк) вперше продемонструвала, що звичайний лід проявляє флексоелектрику. Це означає, що він може виробляти електричний заряд під час механічного згинання або нерівномірної деформації. Це відкриття має потенційне застосування в майбутніх технологіях, а також може допомогти пояснити природні процеси, зокрема утворення блискавок під час штормів.
Робота, опублікована в Nature Physics, є значним кроком уперед у розумінні електромеханічної поведінки льоду.
«Ми виявили, що лід генерує електричний заряд у відповідь на механічне напруження за будь-яких температур. Крім того, ми виявили тонкий сегнетоелектричний шар на поверхні за температур нижче -113 ºC (160 K). Це означає, що поверхня льоду може розвивати природну електричну поляризацію, яка може бути зворотною при застосуванні зовнішнього електричного поля — подібно до того, як полюси магніту можуть змінюватися місцями. Поверхнева сегнетоелектрика — це саме по собі цікаве відкриття, оскільки воно означає, що лід може мати не один спосіб генерації електроенергії, а два: сегнетоелектрику за дуже низьких температур і флексоелектрику за вищих температур аж до 0 ºC», — сказав доктор Сінь Вень, провідний дослідник з групи оксидної нанофізики ICN2.
Ця подвійна здатність ставить лід поруч з електрокерамічними матеріалами, такими як діоксид титану, які вже використовуються в передових технологіях — наприклад, у датчиках та конденсаторах.
Лід, флексоелектрика та грози
Одним із найвражаючих результатів цього дослідження є його зв’язок із природними процесами. Результати показують, що флексоелектрична поведінка льоду може сприяти накопиченню електричного заряду в грозових хмарах, що потенційно може відігравати певну роль у формуванні блискавок.
Відомо, що блискавка утворюється, коли в хмарах накопичується електричний потенціал унаслідок зіткнень між частинками льоду, які стають електрично зарядженими. Цей потенціал потім вивільняється у вигляді удару блискавки. Однак механізм, за допомогою якого частинки льоду стають електрично зарядженими, залишається незрозумілим, адже лід не є п’єзоелектричним — він не може генерувати заряд лише під час стиснення під час зіткнення.
Нове дослідження показує, що лід може набувати електричного заряду, коли він піддається неоднорідним деформаціям, тобто коли згинається або деформується нерівномірно.
«Під час нашого дослідження ми вимірювали електричний потенціал, що генерується внаслідок згинання крижаної плити. Зокрема, блок розміщували між двома металевими пластинами та підключали до вимірювального пристрою. Результати збігаються з тими, що спостерігалися раніше під час зіткнень частинок льоду в грозових хмарах», — пояснює професор Густау Каталан з ICREA, керівник групи оксидної нанофізики в ICN2.
Наслідки та майбутнє застосування
Таким чином, результати свідчать про те, що флексоелектрика може бути одним із можливих пояснень генерації електричного потенціалу, який призводить до блискавок під час гроз.
Команда вже досліджує нові напрями роботи, спрямовані на використання цих властивостей льоду для практичних застосувань. Хоча ще зарано говорити про конкретні рішення, це відкриття може прокласти шлях для розробки нових електронних пристроїв, що використовуватимуть лід як активний матеріал і зможуть виготовлятися безпосередньо в холодних середовищах.
