Недавнее исследование, проведенное группой международных ученых из Каталанского института нанонаук и нанотехнологий, Сианьского университета Цзяотун и Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке, выявило неожиданное и крайне вдохновляющее свойство льда. Эксперимент показал: если пластину чистого льда подвергнуть изгибу, материал начинает генерировать электрический ток. Такое открытие, выглядящее весьма простым на первый взгляд, может стать фундаментом для новых технологий и существенно продвинуть понимание природных явлений.
Простой эксперимент — впечатляющие результаты
Суть опыта предельно ясна: ученые взяли пластину высокочистого льда, поместили ее между двумя металлическими контактами, а всю конструкцию разместили на специальных эластичных изоляторах. Затем при помощи дополнительной опоры в центре пластины начали прикладывать механическое давление, меняя температуру окружающей среды. Такая схема превращала ледяную пластину в необычный конденсатор, встроенный в электрическую цепь. Это позволяло фиксировать малейшие токи, возникающие при деформации льда.
Хотя формально эксперимент выглядел довольно просто, тщательное изучение заняло у международной команды почти три года. Первый предварительный отчет о своей работе ученые опубликовали еще в декабре 2022 года, а официальную публикацию она получила только летом 2025 года после убедительной проверки и оценки мировой научной общественностью.
Флексоэлектричество в самом известном виде льда
Вода, замерзая, формирует множество кристаллических модификаций, называемых фазами. Каждый школьник сталкивался только с одной из них — лед Ih, прозрачный и знакомый по зимним видам спорта. Однако науке известно свыше двадцати различных фаз льда, каждая из которых проявляет уникальные особенности при различных температурах и давлениях.
В центре новой работы оказалась именно фаза Ih, которую давно и тщательно изучают исследователи. Удивительно, но именно в этом «понятном», базовом льде впервые было экспериментально подтверждено существование флексоэлектрического эффекта — особого явления генерации электрического поля при неравномерном изгибе диэлектрического материала.
Отличие от пьезоэлектричества и связь с сенсорной техникой
Флексоэлектричество часто путают с пьезоэлектричеством, хотя между ними есть принципиальная разница. Пьезоэлектрический эффект требует идеально организованной структуры кристаллов и проявляется при их равномерном сжатии или растяжении. Для флексоэлектричества подобная идеальная организация не требуется — достаточно неоднородной деформации, того самого изгиба.
Команда ученых демонстрировала, что лед Ih способен эффективно поляризоваться даже при экстремально низких, криогенных температурах. Его флексоэлектрические параметры оказались вполне сравнимы с аналогичными характеристиками некоторых керамических материалов, широко используемых в сенсорах и датчиках. По сути, привычный лед можно рассматривать как природный элемент, применимый для создания устройств нового типа.
Сегнетоэлектричество и необычные превращения на поверхности льда
В ходе экспериментов ученые заметили еще один поразительный эффект. Около температуры 160 Кельвин (примерно минус 113 градусов по Цельсию) на поверхности ледяной пластины возникал фазовый переход, приводящий к сегнетоэлектрическому поведению — самопроизвольному возникновению постоянной поляризации, направление которой можно менять, прикладывая внешнее электрическое поле. Это свойство известно лишь для более редкой фазы льда — XI, но теперь его обнаружили и на поверхности классического льда Ih при определенных условиях.
Такие открытия не только расширяют представление о потенциале самого обычного льда, но и делают возможными новые технологические подходы к созданию сенсорных систем и микроскопических электрогенераторов.
Последствия для науки и открывающиеся перспективы
Какие именно новые приложения сможет найти для себя лед в свете открытых флексоэлектрических свойств — вопрос будущего. Однако уже сейчас исследование помогает глубже понять фундаментальные процессы в природе. Например, более точное моделирование зарядов внутри грозовых облаков будет возможно, если учитывать влияние деформации ледяных кристаллов. Согласно мнению международной команды, введение флексоэлектрического механизма в вычисления делает моделирование грозовых туч и молний значительно ближе к реальности.
Открытие, в котором приняли участие ведущие ученые Каталанского института нанонаук и нанотехнологий, Сианьского университета Цзяотун и Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке, открыло новую страницу в изучении одного из самых привычных материалов на Земле. Лед продолжает удивлять, а его потенциал — вдохновлять на поиски новых научных и технологических решений.
Источник: naked-science.ru
