Zwykły lód, znany każdemu jako krucha bryła w szklance czy potężna masa na szczytach gór, skrywa właściwości, które mogą zmienić nasze rozumienie zarówno natury, jak i technologii. Najnowsze badania opublikowane w Nature Physics wykazały, że lód jest materiałem fleksoelektrycznym – czyli potrafi generować elektryczność, gdy jest nierównomiernie zginany. Odkrycie to nie tylko otwiera nowe perspektywy technologiczne, ale też rzuca światło na tajemnicę powstawania piorunów podczas burz.
Lód – najbardziej powszechny i wciąż zaskakujący materiał
Choć lód wydaje się jedną z najlepiej poznanych substancji, od lat dostarcza naukowcom niespodzianek. Występuje niemal wszędzie: od polarnych czap lodowych, przez lodowce, aż po wierzchołki gór. A jednak dopiero teraz udało się dowieść, że oprócz swoich znanych właściwości fizycznych posiada zdolność generowania napięcia elektrycznego pod wpływem odkształceń mechanicznych.
Czytaj też: Nowa forma lodu może zmienić nasze rozumienie wody
Zespół badaczy z Instytutu Nanonauk i Nanotechnologii (ICN2) na kampusie Uniwersytetu Autonomicznego w Barcelonie, wraz z partnerami z Xi’an Jiaotong University w Chinach i Stony Brook University w Nowym Jorku, wykazał, że zwykły lód działa jak materiał fleksoelektryczny. To oznacza, że pod wpływem nierównomiernego zginania lub deformacji może on wytwarzać elektryczność – podobnie jak wyspecjalizowane elektroceramiki, np. tlenek tytanu, stosowany w kondensatorach i sensorach.
Badania wykazały, że lód generuje ładunek elektryczny w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne w szerokim zakresie temperatur – od ekstremalnego mrozu aż do punktu topnienia. Co więcej, poniżej temperatury –113oC na powierzchni lodu tworzy się cienka warstwa o właściwościach ferroelektrycznych.
Jak wyjaśnia dr Xin Wen z ICN2:
Odkryliśmy, że powierzchnia lodu może ulec naturalnej polaryzacji elektrycznej, którą da się odwrócić za pomocą zewnętrznego pola – podobnie jak bieguny magnesu. To oznacza, że lód może generować prąd na dwa sposoby: poprzez ferrolektryczność w ekstremalnym zimnie i poprzez fleksoelektryczność w wyższych temperaturach aż do 0oC.
To zestawia lód w jednej linii z materiałami uważanymi dotąd za domenę zaawansowanej elektroniki, otwierając nowe perspektywy jego wykorzystania.
Najbardziej intrygujące jest powiązanie odkrycia z naturalnymi zjawiskami atmosferycznymi. Wiadomo, że pioruny powstają, gdy w chmurach burzowych gromadzi się ładunek elektryczny, będący efektem zderzeń kryształków lodu i gradu. Dotąd nie było jasne, w jaki sposób cząstki lodu mogły się elektryzować, skoro sam lód nie jest piezoelektryczny. Nowe badania pokazują, że nierównomierne odkształcenia kryształów podczas kolizji mogą generować napięcie dzięki fleksoelektryczności.
Prof. Gustau Catalán, lider grupy Oxide Nanophysics w ICN2, tłumaczy:
Podczas naszych eksperymentów zmierzyliśmy potencjał elektryczny powstający przy zginaniu bloku lodu umieszczonego między metalowymi płytami. Wyniki odpowiadają temu, co obserwujemy podczas zderzeń cząstek lodu w chmurach burzowych.
Oznacza to, że fleksoelektryczność lodu mogłaby być brakującym elementem układanki tłumaczącej powstawanie piorunów – jednego z najbardziej spektakularnych zjawisk natury.
Choć droga od odkrycia do praktycznych rozwiązań jest długa, badacze już teraz widzą potencjalne scenariusze. Możliwe jest wykorzystanie lodu jako materiału aktywnego w zimnym środowisku, np. w arktycznych czujnikach czy eksperymentalnych urządzeniach elektronicznych wytwarzanych “na miejscu”, tam, gdzie lód jest naturalnie dostępny.