Не жартуйте з льодом. Під дією напруги лід може стати дуже іскристим.
Вчені виявили, що звичайний лід — та сама речовина, яка міститься в каві з льодом або в інеї на вершинах гір — має надзвичайні електромеханічні властивості. Лід є флексоелектричним, тому, коли його згинають, розтягують або скручують, він може генерувати електрику, згідно з статтею в журналі Nature Physics, опублікованій 27 серпня. Більше того, особливі електричні властивості льоду, здається, змінюються залежно від температури, що змушує дослідників замислитися над тим, що ще він приховує.
Ця робота змінює «наше уявлення про лід: від пасивного матеріалу до активного матеріалу, який може відігравати важливу роль як у фундаментальних дослідженнях, так і в практичному застосуванні», — повідомив в електронному листі до Gizmodo Сінь Вень, головний автор дослідження та нанофізик з Каталонського інституту нанонауки та нанотехнологій в Іспанії.
Нерозкритою загадкою в молекулярній хімії залишається питання, чому структура льоду не дозволяє йому бути п’єзоелектричним. Під п’єзоелектричністю вчені розуміють утворення електричного заряду, коли механічне навантаження змінює загальну полярність твердого тіла або електричний дипольний момент.
Молекули води, що складають кристал льоду, є поляризованими. Але коли ці окремі молекули організовуються в гексагональний кристал, геометричне розташування випадково орієнтує диполі цих молекул води. В результаті кінцева система не може генерувати п’єзоелектрику.
Однак добре відомо, що лід може природним чином генерувати електрику, прикладом чого є блискавки, що виникають в результаті зіткнення заряджених частинок льоду. Оскільки лід не здається п’єзоелектричним, вчені були збентежені тим, як саме частинки льоду заряджаються.
«Незважаючи на постійний інтерес до льоду та великий обсяг знань про нього, продовжують відкриватися нові фази та аномальні властивості», — зазначили дослідники в статті, додавши, що ця незадовільна прогалина в знаннях свідчить про «неповноту нашого розуміння цього поширеного матеріалу».
На щастя, наука любить розділяти на окремі категорії поняття, що здаються фундаментальними. Електрика не є винятком, тому дослідники вирішили дослідити різні «типи» електрики.
Геометрія становила найбільшу перешкоду для розуміння спостережуваної електричної поведінки льоду, тому команда вирішила зупинитися на флексоелектричності, яка може «існувати в матеріалах будь-якої симетрії», пояснили вони.
Для експерименту вони помістили шматок льоду між двома електродами, одночасно переконавшись, що вироблена електрика не є п’єзоелектричною. На їхнє здивування, згинання шматка льоду створювало електричний заряд, і це відбувалося при будь-якій температурі. Однак вони не очікували, що при температурі нижче -171,4 градусів Фаренгейта (-113 градусів Цельсія) на поверхні шматка льоду утвориться тонкий фероелектричний шар.
«Це означає, що поверхня льоду може розвинути природну електричну поляризацію, яка може бути змінена при застосуванні зовнішнього електричного поля — подібно до того, як можна змінити полюси магніту», — пояснив Вен у своїй заяві.
Дивно, але «лід може мати не один, а два способи генерації електроенергії: фероелектричність при дуже низьких температурах і флексоелектричність при більш високих температурах аж до 0 [градусів Цельсія]», — додав Вен.
Цей висновок є корисним та інформативним, зазначають дослідники. По-перше, «перехід» між флексоелектричністю та фероелектричністю ставить лід «на один рівень з електрокерамічними матеріалами, такими як діоксид титану, які зараз використовуються в передових технологіях, таких як сенсори та конденсатори», зазначають вони.
Можливо, більш очевидним є зв’язок цього відкриття з природними явищами, а саме з грозами. Згідно з статтею, електричний потенціал, що генерується флексоелектричністю в експерименті, майже збігається з енергією, що виробляється при зіткненні частинок льоду. Принаймні, було б логічно, щоб флексоелектричність частково брала участь у взаємодії частинок льоду всередині грозових хмар.
«З цими новими знаннями про лід ми переглянемо процеси, пов’язані з льодом у природі, щоб з’ясувати, чи є якісь інші глибокі наслідки флексоелектричності льоду, які досі залишалися непоміченими», — сказав Вен в інтерв’ю Gizmodo.
Обидва висновки потребують подальшого вивчення, визнають дослідники. Проте, ці відкриття дають нове розуміння такого поширеного явища, як лід, і демонструють, скільки ще нам залишається дізнатися про наш світ.
