Лед как источник электричества: какие перспективы открылись перед учеными

Как лёд может генерировать электричество? Новое открытие заставляет по-новому взглянуть на этот привычный материал и даже проливает свет на загадку молний.

Лёд — одно из самых распространённых веществ на нашей планете. Он покрывает ледники, вершины гор и полярные шапки. Несмотря на кажущуюся простоту, его физические свойства продолжают удивлять учёных. Недавнее международное исследование впервые выявило необычное качество обычного льда — его способность вырабатывать электрический заряд при деформации. Это явление называется флексоэлектричеством.

Что такое флексоэлектричество и почему оно важно

Флексоэлектричество — это способность материала создавать электрический заряд при неравномерном механическом воздействии, например, при изгибе или сжатии с разной силой в разных местах. В случае льда это означает, что при его деформации возникает электрический потенциал. Это открытие было сделано благодаря совместной работе учёных из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Университета Цзяотун в Сиане и Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке.

"Мы обнаружили, что лёд генерирует электрический заряд при механическом напряжении при любых температурах", — рассказывает Синь Вэнь из ICN2.

Более того, при температурах ниже -113ºC на поверхности льда формируется тонкий сегнетоэлектрический слой. Это значит, что поверхность льда обладает электрической поляризацией, которую можно изменить внешним электрическим полем, подобно тому, как меняются полюса магнита.

Два способа генерации электричества в льду

Это открытие выводит лёд в один ряд с такими электрокерамическими материалами, как диоксид титана, широко используемыми в современной электронике. У льда, как оказалось, есть два способа генерации электричества:

• сегнетоэлектричество - при очень низких температурах (ниже -113ºC);
• флексоэлектричество - при температурах до 0ºC.

Такое двойное свойство делает лёд уникальным материалом, способным к электромеханической активности в широком диапазоне условий.

Как это связано с молниями

Одним из самых интригующих аспектов открытия является его возможная роль в возникновении молний. Известно, что молнии образуются, когда в грозовых облаках накапливается электрический заряд. При этом накапливание заряда происходит из-за столкновений ледяных частиц. Однако механизм, объясняющий, как лёд приобретает этот заряд, долгое время оставался загадкой, ведь лёд не является пьезоэлектриком и при простом сжатии не генерирует электричество.

Новое исследование предлагает другое объяснение: лёд становится электрически заряженным именно при неравномерных деформациях — когда он изгибается или деформируется неоднородно. Профессор Густаво Каталан из ICN2 описывает эксперимент:

"Мы измеряли электрический потенциал, возникающий при изгибе ледяной пластины. Брусок льда помещался между двумя металлическими пластинами и подключался к прибору. Результаты совпали с теми, что наблюдаются при столкновениях ледяных частиц в грозах".

Таким образом, флексоэлектричество может объяснить процесс накопления заряда в облаках и, как следствие, возникновение молний.

Перспективы и дальнейшие исследования

Исследователи уже работают над тем, чтобы применить эти уникальные свойства льда в практических целях. Хотя пока рано говорить о конкретных технологиях, потенциал использования льда как активного материала в электронных устройствах, особенно тех, которые могут работать в холодных условиях, выглядит многообещающим.

Интересный факт: флексоэлектричество — это явление, которое уже используется в некоторых современных технологиях, например, в датчиках и конденсаторах на основе электрокерамики. Теперь лёд, казалось бы, простой материал, оказался способным к подобным эффектам, что открывает новые горизонты для науки и техники.