В ходе проведенного анализа было установлено, что водяной лед обладает новым свойством – в нем наблюдается флексоэлектрический эффект, проявляющийся в широком температурном диапазоне. Это явление позволяет объяснить некоторые особенности формирования молний в грозовых облаках.
Описанный учеными эксперимент, если взглянуть на него беспристрастно, кажется излишне простым. Для его проведения ледяная пластина, обладающая особой чистотой, была помещена между двумя проводниками и установлена на две эластичные изолирующие опоры.
Для создания необходимого давления на пластину использовали опору, также расположенную по центру, и меняли температуру. Лёд, находящийся между листами золота, функционирует как конденсатор, который можно интегрировать в электрическую цепь для измерения параметров электрических токов.
Изучение и детальное описание открытия флексоэлектрического и сегнетоэлектрического эффектов во льду, вопреки видимой простоте, потребовало около трех лет работы. Первый препринт 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, который связан с поляризацией кристаллов диэлектриков, имеющих определенную структуру, при деформации – это различные физические явления. Впервые экспериментально обнаружен флексоэлектрический эффект в льду Ih. Он наблюдался в диапазоне температур от криогенных до нулевой отметки. По своим флексоэлектрическим свойствам лед демонстрирует сходство с керамическими материалами, применяемыми в сенсорах, использующих этот эффект.
В процессе исследований ученые также зафиксировали фазовое изменение на поверхности ледяного конденсатора, которое наблюдалось приблизительно при температуре 160 кельвинов (минус 113 градусов Цельсия). Этот переход сопровождался проявлением сегнетоэлектрических свойств, характерных для льда XI: в нем возникла спонтанная поляризация, направление которой можно было изменять с помощью внешнего электрического поля.
Ученые пока не рассматривали, какие новые практические применения могут появиться у льда в связи с его недавно обнаруженными флексоэлектрическими свойствами. Однако это открытие уже приносит пользу физикам: оно проясняет механизмы образования электрических зарядов в облаках. Авторы исследования считают, что включение флексоэлектричества ледяных кристаллов в модели грозовых туч позволит сделать их более точными и реалистичными. Пока что эта гипотеза проверена лишь в самом общем виде.