Лед способен генерировать электрический заряд при деформации, обнаружили ученые экспериментальным путем.
Выражаясь по-научному, водяной лед обладает флексоэлектрическими свойствами. Об этом открытии, имеющем как практические, так и фундаментальные последствия, его авторы сообщили на страницах Nature Physics.
Замерзшая вода — одно из самых распространенных веществ на Земле. Она встречается в ледниках, на горных вершинах и в полярных ледяных шапках. Несмотря на это, изучение свойств льда продолжает приносить удивительные результаты, и флексоэлектрический эффект стал одним из них.
«Мы обнаружили, что лед генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение при всех температурах. Кроме того, мы идентифицировали 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 обратима при применении внешнего электрического поля — подобно тому, как полюса магнита могут быть перевернуты. Поверхностное сегнетоэлектричество — это интересное открытие само по себе, поскольку оно означает, что у льда может быть не один, а два способа генерации электричества: сегнетоэлектричество при очень низких температурах и флексоэлектричество при более высоких температурах вплоть до 0 °C», — объясняет один из ведущих авторов исследования Синь Вэнь из группы нанофизики оксидов Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2).
Это свойство ставит лед в один ряд с электрокерамическими материалами, такими как диоксид титана, которые в настоящее время используются для изготовления сенсоров и конденсаторов.
Лед, флексоэлектричество и грозы
Пожалуй, самым полезным следствием этого открытия можно назвать его связь с природой. Результаты исследования предполагают, что флексоэлектричество льда может играть роль в электризации облаков во время гроз — и, в конечном итоге, происхождении молний.
Известно, что молнии возникают, когда электрический потенциал накапливается в облаках из-за столкновений между электрически заряженными частицами льда. Достигнув некой пороговой величины, этот потенциал высвобождается в виде удара молнии. Однако механизм, посредством которого частицы льда электрически заряжаются, оставался неясным, поскольку лед не является пьезоэлектриком — он не может генерировать заряд просто от сжатия во время столкновения.
Флексоэлектрические свойства означают, что выработка электричества льдом возможна в результате его неоднородных деформаций.
«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 в грозовых облаках», — рассказал профессор Густав Каталан из Каталонского института перспективных исследований, возглавляющий группу нанофизики оксидов ICN2.
Перспективы на будущее
Группа начала прорабатывать новые направления исследований для изучения практических применений этих свойств льда. Хотя еще рано обсуждать потенциальные решения, это открытие может проложить путь для создания новых электронных устройств, использующих лед в качестве активного материала, которые могут быть изготовлены непосредственно в холодных средах.
