Обычный лёд оказался куда менее пассивным материалом, чем считалось ранее. Новое исследование показало, что при изгибе, растяжении или скручивании ледяной кристалл способен генерировать электричество. Этот эффект получил название флексоэлектричества. Таким образом, даже привычные кубики льда в стакане обладают скрытыми электромеханическими свойствами.
Долгое время специалисты не понимали, почему лёд не проявляет пьезоэлектрических свойств. Пьезоэлектричество возникает, когда материал генерирует заряд под воздействием механического напряжения. Молекулы воды действительно полярны, однако в кристаллической решётке льда их диполи взаимно компенсируются, из-за чего электричество таким образом возникать не должно.
При этом в природе ледяные частицы всё же вырабатывают электрический заряд. Яркий пример — грозы, где столкновения кристаллов льда приводят к формированию молний. Это противоречие долго оставалось загадкой.
Как проходил эксперимент
Учёные решили проверить другой вид электричества — флексоэлектричество, которое может возникать в материалах любой симметрии. В ходе эксперимента они поместили пластину льда между двумя электродами, исключив возможность пьезоэлектрического эффекта. При изгибе пластины во всех температурных режимах фиксировалась генерация электричества.
Кроме того, при экстремально низких температурах (ниже –113 °C) на поверхности льда образовывался тонкий сегмент с ферроэлектрическими свойствами. Это означает, что лёд способен к естественной электрической поляризации, причём её можно менять с помощью внешнего электрического поля, подобно тому, как у магнита можно изменить полюса.
Таким образом, лёд сочетает сразу два механизма генерации электричества: флексоэлектрический при более высоких температурах и ферроэлектрический — при сверхнизких.
Что это значит для науки и технологий
По своим характеристикам лёд оказался ближе к современным электро-керамическим материалам, например диоксиду титана, которые применяются в датчиках и конденсаторах.
Открытие также помогает лучше объяснить природные явления. Исследователи отметили, что полученные ими данные совпадают с характеристиками электричества, возникающего при столкновениях ледяных кристаллов в грозовых облаках. Это позволяет предположить, что флексоэлектричество играет важную роль в атмосферных процессах.
Учёные подчёркивают, что для окончательных выводов необходимы дальнейшие исследования. Тем не менее открытие меняет представление о льде: привычный и кажущийся инертным материал может оказаться активным участником как природных процессов, так и будущих технологий.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
