Исследование, проведённое под руководством ICN2, показало, что лёд является флексоэлектрическим материалом. Это означает, что он может производить электричество при неравномерной деформации.
Основные моменты исследования
- Статья опубликована в журнале Nature Physics.
- Открытие может иметь значительные технологические последствия и пролить свет на природные явления, такие как молнии.
Подробности исследования
Международное исследование с участием ICN2 на кампусе UAB, Сианьского университета транспорта (Сиань) и Университета Стони-Брук (Нью-Йорк) впервые показало, что обычный лёд является флексоэлектрическим материалом.
Другими словами, лёд может генерировать электричество при механической деформации. Это открытие может иметь значительные последствия для разработки будущих технологических устройств и помочь объяснить природные явления, такие как образование молний во время гроз.
Объяснение доктора Синь Вэнь
«Мы обнаружили, что лёд генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение при любых температурах. Кроме того, мы выявили тонкий «сегнетоэлектрический» слой на поверхности при температурах ниже −113 °C (160 К)», — объясняет доктор Синь Вэнь, член группы оксидной нанофизики ICN2 и один из ведущих исследователей исследования.
«Это означает, что на поверхности льда может развиваться естественная электрическая поляризация, которую можно изменить при приложении внешнего электрического поля — аналогично тому, как можно перевернуть полюса магнита. Сегнетоэлектричество поверхности — это само по себе интересное открытие, поскольку оно означает, что у льда может быть не один способ генерации электричества, а два: сегнетоэлектричество при очень низких температурах и флексоэлектричество при более высоких температурах вплоть до 0 °C».
Применение свойств льда
Это свойство ставит лёд в один ряд с сегнетоэлектрическими материалами, такими как диоксид титана, которые в настоящее время используются в передовых технологиях, таких как датчики и конденсаторы.
Одним из наиболее удивительных аспектов этого открытия является его связь с природой. Результаты исследования предполагают, что флексоэлектрические свойства льда могут играть роль в электрификации облаков во время гроз и, следовательно, в происхождении молний.
Механизм электризации льда
Известно, что молния образуется, когда в облаках накапливается электрический потенциал из-за столкновений между ледяными частицами, которые становятся электрически заряженными. Однако механизм, с помощью которого ледяные частицы становятся электрически заряженными, оставался неясным, поскольку лёд не является пьезоэлектрическим — он не может генерировать заряд просто при сжатии во время столкновения.
Однако исследование показывает, что лёд может стать электрически заряженным, когда подвергается неоднородной деформации, то есть когда он изгибается или деформируется неравномерно.
«Во время нашего исследования был измерен электрический потенциал, генерируемый при изгибе ледяной плиты. Конкретно блок был помещён между двумя металлическими пластинами и подключён к измерительному устройству. Результаты соответствуют тем, что ранее наблюдались при столкновениях ледяных частиц во время гроз», — объясняет профессор ICREA Густав Катала́н, руководитель группы оксидной нанофизики в ICN2.
Таким образом, результаты предполагают, что флексоэлектричество может быть одним из возможных объяснений генерации электрического потенциала, который приводит к молниям во время гроз.
Дальнейшие исследования
Исследователи группы уже изучают новые направления, направленные на использование этих свойств льда для реальных приложений. Хотя ещё рано обсуждать потенциальные решения, это открытие может проложить путь для разработки новых электронных устройств, в которых лёд будет использоваться в качестве активного материала, который можно изготовить непосредственно в холодных условиях.
Предоставлено Автономным университетом Барселоны.