Новое исследование выявило интересное и, возможно, важное свойство льда. По-видимому, он генерирует электричество при изгибе. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Водяной лёд широко распространён на Земле, являясь одним из самых распространённых твёрдых веществ. Учитывая важность воды для жизни и льда для климата Земли, мы также досконально изучили его.
«Несмотря на сохраняющийся интерес и обширные знания о льде, продолжают обнаруживаться новые фазы и аномальные свойства, что говорит о том, что наше понимание этого повсеместно распространенного материала неполно», — объясняют исследователи из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2).
Что мы знаем о льде в его наиболее распространённой на Земле форме (гексагональном льде – Ih), так это то, что он не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Это явление характерно для некоторых материалов, таких как кристаллы и керамика, которые вырабатывают электричество под действием механического напряжения, например, при столкновении.
«Несмотря на полярность отдельных молекул воды, обычный лёд Ih не является пьезоэлектриком из-за геометрического нарушения, вызванного так называемыми правилами Бернала-Фаулера: два протона водорода должны находиться рядом с каждым атомом кислорода, но между двумя атомами кислорода может находиться только один протон водорода», — поясняет группа. «В результате, в отличие от атомов кислорода, которые расположены в гексагональной решетке, атомы водорода не проявляют дальнего порядка, что приводит к хаотично ориентированным диполям воды и, следовательно, отсутствию макроскопического пьезоэлектричества».
И всё же известно, что лёд генерирует электричество под действием механических напряжений в природе, хотя мы не были до конца уверены в том, как это происходит. Например, мы знаем, что столкновения между частицами льда могут накапливать заряд в облаках, который может разряжаться в виде молний. Теперь, после серии экспериментов по изгибанию льда и анализа результатов, команда предложила решение.
«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», — заявил профессор ICREA Густау Каталан, руководитель группы оксидной нанофизики Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2). «Результаты совпадают с ранее наблюдавшимися при столкновениях ледяных частиц во время гроз».
По словам учёных, флексоэлектрический эффект льда ставит его в один ряд с электрокерамическими материалами, такими как диоксид титана, используемыми в передовых технологиях, таких как конденсаторы и датчики. Что ещё важнее, они нашли новое объяснение тому, как заряд может накапливаться в облаках и в конечном итоге вызывать молнии.
«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 -113 °C (160 K). Это означает, что поверхность льда может развивать естественную электрическую поляризацию, которая может быть обращена вспять при приложении внешнего электрического поля — подобно тому, как полюса магнита меняются местами», — добавил Синь Вэнь, член группы нанофизики оксидов ICN2 и один из ведущих исследователей исследования. «Поверхностное сегнетоэлектричество само по себе является интересным открытием, поскольку оно означает, что у льда может быть не один, а два способа генерации электроэнергии: сегнетоэлектричество при очень низких температурах и флексоэлектричество при более высоких температурах, вплоть до 0 °C».
Группа ученых планирует продолжить исследования этого эффекта, в том числе возможности создания новых электронных устройств, использующих лед в качестве активного материала, которые можно было бы производить в условиях холода и которые можно было бы использовать в таких условиях.
