Ученые совершили прорывное открытие: обычный лед способен генерировать электричество при механическом воздействии. Это явление, известное как флексоэлектричество, означает, что при сгибании, растяжении или скручивании лед производит электрический заряд. Самый обычный кубик льда в вашем стакане обладает скрытыми электромеханическими свойствами, которые до сих пор оставались незамеченными.
Как лед ставил ученых в тупик десятилетиями
На протяжении многих лет научное сообщество ломало голову над парадоксом: почему лед не проявляет пьезоэлектрических свойств? Молекулы воды поляризованы, но при формировании кристаллической структуры льда их диполи взаимно нейтрализуются. Теоретически лед не должен генерировать электричество таким способом.
Однако в природе лед определенно создает электрические заряды. Яркий пример - молнии во время гроз, которые часто возникают в результате столкновения заряженных ледяных частиц в облаках. Это противоречие между теорией и наблюдениями долгое время оставалось необъяснимым.
Эксперимент, который изменил все
Международная команда исследователей из Institut Catala de Nanociencia I Nanotecnologia (ICN2), Сианьского университета Цзяотун и Университета Стоуни-Брук решила проверить альтернативную гипотезу - флексоэлектричество. В отличие от пьезоэлектричества, этот эффект может проявляться в материалах любой симметрии.
Ученые поместили ледяную пластину между двумя электродами и тщательно измеряли возникающий электрический потенциал при ее изгибе. Результаты были однозначными: лед генерировал электричество при всех тестируемых температурах.
Двойной механизм генерации энергии
Самым удивительным оказалось открытие второго механизма генерации энергии. При экстремально низких температурах (ниже -113°C) на поверхности льда формируется тонкий сегнетоэлектрический слой, способный менять свою поляризацию под воздействием внешнего электрического поля - подобно тому, как меняют полюса магнита.
Профессор ICREA Густау Каталан, руководитель исследовательской группы, объясняет: "Наши измерения электрического потенциала при изгибе ледяной пластины показали результаты, практически идентичные тем, которые наблюдаются при столкновениях ледяных частиц в грозовых облаках".
Практическое значение открытия
Это открытие ставит лед в один ряд с передовыми электрокерамическими материалами, такими как диоксид титана, используемыми в современных технологиях. Способность льда "переключаться" между флексоэлектричеством и сегнетоэлектричеством делает его более универсальным материалом, чем предполагалось ранее.
Синь Вэнь, ведущий автор исследования, отмечает: "Эта работа фундоментально меняет наше восприятие льда - из пассивного материала он превращается в активный элемент, способный играть важную роль как в фундаментальных исследованиях, так и в практических применениях".
Открытие также объясняет давнюю загадку атмосферного электричества и может привести к пересмотру наших представлений о процессах формирования молний в грозовых облаках.
Исследование, опубликованное в престижном журнале Nature Physics, открывает новые горизонты для изучения одного из самых распространенных и, как теперь выясняется, самых загадочных материалов на нашей планете.
