Physicists have discovered that ordinary ice exhibits flexoelectric properties, generating electricity when subjected to bending deformations. The scientists attributed this behavior to a ferroelectric phase transition in a near-surface layer just 15-20 nanometers thick. The physicists' work also pointed to the possible contribution of flexoelectricity to charge separation in thunderclouds. The results of the study were published in the journal Nature Physics.
Although physicists have already discovered 19 crystalline modifications of water ice, the properties of even the most common ordinary ice (also known as ice-Ih) are far from fully understood. For example, the question of its electromechanical properties remains open: researchers have repeatedly noted the connection between atmospheric electricity and ice crystals in clouds. However, the Bernal-Fowler rules prohibit ice-Ih from generating free charges under compression or tension, since the hydrogen atoms in such a crystal do not exhibit a long-range order structure. In other words, despite the hexagonal lattice built by oxygen atoms, this type of ice is a cluster of randomly oriented dipoles, which contradicts the essence of piezoelectricity. Therefore, the origin of electric charges must lie elsewhere.
Physicists from Spain, China, and the United States, led by Xin Wen of Xi'an Jiaotong University, have suggested that ice-Ih can generate charges through the flexoelectric effect—a phenomenon in which there is a relationship between the polarization of a material and its deformation gradient.
To test their hypothesis, the scientists fabricated capacitors from two gold-coated aluminum plates, freezing a layer of ultrapure water approximately two millimeters thick between them. The physicists first conducted piezoelectric measurements to confirm the non-piezoelectric nature of the ice samples. They then used a dynamic mechanical analyzer to create a three-point bending strain in the capacitors with a maximum stress of 0.006 gigapascals, fixing the edges of the capacitor and applying a force in the middle. This approach induced a flexoelectric response in the material, which the authors measured in a temperature range from 143 to 273 Kelvin.
При температуре выше 248 кельвин флексоэлектричество заметно усилилось, что физики объяснили переходом льда в квазижидкие слои, характерные для тех случаев, когда материал находится в состоянии перед началом плавления, — в таких слоях заключено большое количество подвижных ионов, переносящих заряд. В диапазоне 203-248 кельвин флексоэлектрический коэффициент проявил константные свойства со средневзвешенным значением в 1,14 ± 0,13 нанокулон на метр. Такой результат оказался схожим с диэлектрической керамикой, а коэффициент флексосвязи (флексоэлектрический коэффициент, деленный на диэлектрическую проницаемость), равный 1,29 ± 0,15 вольт, попал в диапазон для собственного флексоэлектричества в твердых телах.
Однако при температуре ниже 203 кельвин флексоэлектрический коэффициент снова вырос, достигнув пика в 7,6 нанокулона на метр при температуре 164,6 ± 1,7 кельвина. Авторы работы отметили, что такая температурная зависимость ранее наблюдалась только в керамических материалах с явными сегнетоэлектрическими свойствами. В итоге физики предположили, что причиной этого флексоэлектрического максимума стал сегнетоэлектрический фазовый переход, ограниченный приповерхностной областью материала. Дополнительным подтверждением гипотезы стала измеренная петля гистерезиса, имевшая форму бабочки, а также вычисленная свободная энергия Гельмгольца, которая показала смещение температуры Кюри к 164,6 кельвина при толщине скин-слоя в 14,6 нанометра (экспериментальная оценка составила 20,3 нанометра).
Помимо этого авторы работы подчеркнули, что их численные оценки объяснили разделение электрических зарядов в грозовых облаках: из-за столкновения крупы с кристалликами льда оба материала деформируются и обмениваются флексоэлектрическими зарядами — крупа становится отрицательно заряженной, а лед положительно. Вместе с тем такая модель очень сильно упрощает все промежуточные процессы, и по мнению физиков, требует дальнейшего уточнения.
О том, как метастабильная вода превратилась в лед-VII и только потом в лед-VI, мы писали ранее.
