Ученые получили электричество, деформируя лед

Новости МирТесен

В ходе проведенного исследования было выявлено новое свойство водяного льда – в нём наблюдается флексоэлектрический эффект в широком температурном диапазоне. Это позволяет объяснить некоторые особенности формирования молний в грозовых облаках.

При изложении эксперимента, проведенного учеными, он представляется крайне простым. Они поместили пластину из тщательно очищенного льда между двумя проводниками и расположили получившуюся конструкцию на двух эластичных изолирующих опорах.

Для проведения испытаний опорой оказывали давление на пластину при разных температурах. Лед, находящийся между листами золота, функционировал как конденсатор, который можно интегрировать в электрическую цепь для измерения параметров электрических токов.

Изучение и детальное описание флексоэлектрического и сегнетоэлектрического эффектов во льду, несмотря на внешнюю простоту, потребовали около трех лет работы. Первый вариант статьи появился в декабре 2022 года, а рецензирование она прошла лишь летом 2025-го. Среди авторов — испанские, американские и китайские физики, сотрудники Каталанского института нанонаук и нанотехнологий, Сианьского университета Цзяотун, а также Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке.

Фазовая диаграмма водяного льда – ценнейший инструмент для физика. Этот необычный материал открывает всё новые грани своих свойств в зависимости от различных сочетаний температур и давлений. Помимо привычного льда Ih, являющегося наиболее распространённой его формой на Земле, известно не менее двух десятков структурных модификаций (фаз). Особенно примечательно, что в недавней научной работе был использован лед Ih, который, казалось бы, уже полностью исследован.

Флексоэлектрический эффект представляет собой поляризацию диэлектрического материала, возникающую при его неравномерной деформации, например, при изгибе. Важно не путать его с пьезоэлектрическим эффектом – явлением, заключающимся в поляризации кристаллов диэлектриков, имеющих определенную структуру, при деформации, поскольку это различные процессы. Впервые экспериментально обнаружен флексоэлектрический эффект в льду Ih. Он наблюдался в диапазоне температур от криогенных до нулевых. По своим флексоэлектрическим свойствам лед демонстрирует сходство с керамическими материалами, применяемыми в сенсорах, использующих данный эффект.

В ходе экспериментов исследователи также зафиксировали изменение фазового состояния поверхности ледяного конденсатора, которое наблюдалось при температуре около 160 кельвинов (минус 113 градусов Цельсия). Этот переход сопровождался проявлением сегнетоэлектрических свойств, характерных для льда XI: в структуре возникла спонтанная поляризация, направление которой можно было изменять при воздействии внешнего электрического поля.

Ученые еще не определились, какие новые практические применения могут быть у льда, учитывая его недавно выявленные флексоэлектрические свойства. Однако, это открытие уже оказалось полезным для физиков: теперь стало понятнее, как возникают электрические заряды в облаках. Авторы исследования полагают, что включение флексоэлектричества ледяных кристаллов в модели грозовых туч позволит сделать их более точными и реалистичными. Пока что эту идею проверили лишь в предварительном анализе.