Обнаружена необычная способность льда генерировать электричество при изгибе

Международная группа ученых раскрыла, что обычный лед способен генерировать электрический заряд при деформации. Это открытие, известное как пьезоэлектрический эффект, может объяснить загадку происхождения молний в грозовых облаках. Исследование, проведенное специалистами из Университета Автонома де Барселона, Каталонского института нанонаук и нанотехнологий (ICN2), Университета Сиань Цзяотун и Университета Стоуни-Брук, было опубликовано в журнале Nature Physics.

На протяжении многих лет ученые пытались понять, как частицы льда в грозовых облаках приобретают электрический заряд, необходимый для возникновения молний. Новое исследование демонстрирует, что лед обладает свойствами, схожими с некоторыми минералами и керамиками. Подобно диоксиду титана, который генерирует электричество под механическим напряжением, лед также проявляет сопоставимую характеристику.

Чтобы изучить это свойство, исследователи прикладывали контролируемые усилия к пластинам льда. Изгибая лед между металлическими пластинами, оснащенными чувствительными приборами, они смогли обнаружить измеримый электрический заряд. Эти пьезоэлектрические свойства наблюдались у льда при температурах от точки замерзания и вплоть до экстремально низких значений. Кроме того, при самых низких температурах команда зафиксировала в льду поляризацию, известную как сегнетоэлектричество.

«Мы обнаружили, что лед генерирует электрический заряд в ответ на механическое напряжение при всех температурах, — заявил ведущий автор работы, доктор Синь Вэнь из группы нанофизики оксидов ICN2. — Более того, мы идентифицировали тонкий сегнетоэлектрический слой на поверхности при температурах ниже –113 °C. Это означает, что поверхность льда может развивать естественную поляризацию, которая является обратимой, подобно смене полюсов у магнита».

Эксперименты показывают, что лед демонстрирует два различных типа электрического поведения: пьезоэлектричество при более высоких температурах и сегнетоэлектричество при экстремально низких. Это открытие ставит лед в один ряд с передовыми электро-керамическими материалами. Полученные данные имеют большое значение для метеорологии. Молния образуется по мере нарастания электрического потенциала внутри облаков, что часто является результатом столкновений ледяных частиц. Однако лед не является пьезоэлектрическим материалом в обычном понимании и не может генерировать заряд просто от сжатия. Поэтому ученые не были до конца уверены, как именно эти частицы заряжаются во время гроз.

Новые выводы предлагают возможный ответ. Когда ледяные гранулы деформируются неравномерно, пьезоэлектрический эффект может генерировать необходимый электрический потенциал. «Результаты соответствуют тем, что ранее наблюдались при столкновениях ледяных частиц в грозах», — отметил профессор Густау Каталан, руководитель группы нанофизики оксидов ICN2. Если дальнейшие исследования подтвердят эту теорию, пьезоэлектричество может стать недостающим звеном, объясняющим, как в грозовых облаках формируются мощные электрические поля, в конечном счете приводящие к молниям.

Способность льда генерировать электричество под напряжением может также найти практическое применение. Устройства, предназначенные для работы в холодных средах, в будущем могли бы использовать это свойство. Потенциальные области применения варьируются от полярных сенсоров до компонентов спутников, разработанных для ледяных лун. Исследователи подчеркивают, что практические применения пока не определены и требуются дальнейшие изыскания, чтобы выяснить, в какой степени пьезоэлектричество способствует возникновению молний в природных условиях. Теперь ученые признают электрическое поведение льда как потенциально ключевую новую область для исследований.