冰也能發(fā)電？從撓曲電效應(yīng)到雷暴云電荷積累

在地球的兩極、高山之巔，乃至你冰箱的冷凍室，冰——這種最常見不過的物質(zhì)，長(zhǎng)久以來被視作電學(xué)上的“絕緣體”。然而，一項(xiàng)由西安交通大學(xué)及其合作者聯(lián)合完成的最新研究，徹底顛覆了這一認(rèn)知，冰不僅能“凍人”，還能“發(fā)電”。

彎曲時(shí)能夠產(chǎn)生電流的特性被稱為“撓曲電效應(yīng)”（flexoelectricity），即非均勻變形（應(yīng)變梯度）可打破空間反演對(duì)稱性，從而在任意對(duì)稱性的絕緣體中誘發(fā)電極化。該效應(yīng)近年來頗受關(guān)注，已在液晶，陶瓷，骨骼，聚合物，生物薄膜等體系中得到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，這也引起了該研究團(tuán)隊(duì)的好奇，冰是否也具有撓曲電性？

為了驗(yàn)證冰的撓曲電效應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置：他們?cè)趦蓧K金屬電極之間精心制備了一塊純水冰薄片，通過三點(diǎn)彎曲法施加應(yīng)力，并實(shí)時(shí)測(cè)量電荷響應(yīng)，進(jìn)而獲得冰的撓曲電系數(shù)。結(jié)果表明，冰與常用于傳感器和電容器等先進(jìn)技術(shù)中的TiO2和SrTiO3等基準(zhǔn)電陶瓷的撓曲電性相當(dāng)，達(dá)到了~nC/m量級(jí)。

根據(jù)測(cè)試，這種效應(yīng)在冰的整個(gè)穩(wěn)定溫度范圍內(nèi)都存在，更令人驚奇的是，在160K（約-113°C）附近，冰的表面還出現(xiàn)了“ferroelectricity”（鐵電性）——即冰表面自發(fā)極化，并能在外電場(chǎng)作用下像是磁鐵一樣翻轉(zhuǎn)方向。這意味著，冰具備兩種發(fā)電機(jī)制：在較高溫度下通過彎曲產(chǎn)生電荷，在極低溫度下則可以通過表面極化發(fā)電。

除了確定了冰可以發(fā)電，該項(xiàng)研究也為雷電的產(chǎn)生提供了一種新的解釋。因?yàn)槔妆┰浦械谋：亡绷Ｅ鲎渤１徽J(rèn)為是雷電電荷積累的主要來源，但由于冰不是壓電材料，單純壓縮無法產(chǎn)生電荷，過去雷電產(chǎn)生的現(xiàn)象一直缺乏明確的物理機(jī)制來解釋，長(zhǎng)期困擾著氣象學(xué)界。而這項(xiàng)研究提供了新的線索：冰在碰撞過程中可能發(fā)生非均勻變形，從而觸發(fā)撓曲電效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生電荷，這與雷暴云中觀測(cè)到的電荷分布高度吻合。

除了揭示自然現(xiàn)象，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也為低溫電子器件的開發(fā)提供了新思路。在極地或高海拔環(huán)境，甚至外星球中，冰可能可以成為一種原位制造的能量轉(zhuǎn)換材料，用于傳感器、換能器等設(shè)備。