Fizycy odkryli, że zwykły lód wykazuje właściwości fleksoelektryczne, generując elektryczność podczas odkształceń zginających. Naukowcy wyjaśnili to zachowanie lodu ferroelektryczną przemianą fazową w warstwie przypowierzchniowej o grubości zaledwie 15-20 nanometrów. Prace fizyków wskazały również na możliwy udział fleksoelektryczności w separacji ładunków w chmurach burzowych. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature Physics”.
Chociaż fizycy odkryli już 19 krystalicznych modyfikacji lodu wodnego, właściwości nawet najpowszechniejszego zwykłego lodu (znanego również jako lód-Ih) są dalekie od pełnego zrozumienia. Na przykład, kwestia jego właściwości elektromechanicznych pozostaje otwarta: badacze wielokrotnie zwracali uwagę na związek między elektrycznością atmosferyczną a kryształami lodu w chmurach. Jednocześnie reguły Bernala-Fowlera zapobiegają generowaniu przez lód-Ih swobodnych ładunków podczas ściskania lub rozciągania, ponieważ atomy wodoru w takim krysztale nie wykazują struktur dalekiego zasięgu. Innymi słowy, pomimo heksagonalnej sieci zbudowanej z atomów tlenu, ten rodzaj lodu jest skupiskiem losowo zorientowanych dipoli, co przeczy istocie piezoelektryczności. Zatem przyczyną pojawiania się ładunków elektrycznych musi być coś innego.
Fizycy z Hiszpanii, Chin i Stanów Zjednoczonych, pod przewodnictwem Xin Wena z Uniwersytetu Xi'an Jiaotong, zasugerowali, że lód-Ih może generować ładunki dzięki efektowi fleksoelektrycznemu, czyli zjawisku, w którym istnieje związek między polaryzacją materiału i gradientem jego odkształcenia.
Aby przetestować swoją hipotezę, naukowcy zbudowali kondensatory z dwóch pokrytych złotem aluminiowych płytek, pomiędzy którymi zamrożono warstwę ultraczystej wody o grubości około dwóch milimetrów. Najpierw fizycy przeprowadzili pomiary piezoelektryczne, aby potwierdzić niepiezoelektryczną naturę próbek lodu, a następnie za pomocą dynamicznego analizatora mechanicznego wywołali w kondensatorach trzypunktowe odkształcenie zginające o maksymalnym naprężeniu 0,006 gigapaskala, unieruchomili krawędzie kondensatora i przyłożyli siłę w jego środku. To podejście wywołało reakcję fleksoelektryczną w materiale, którą autorzy artykułu zmierzyli w zakresie temperatur od 143 do 273 kelwinów.
W temperaturze powyżej 248 kelwinów flexoelektryczność wyraźnie wzrosła, co fizycy wyjaśnili przejściem lodu w warstwy quasi-ciekłe, charakterystyczne dla przypadków, gdy materiał znajduje się w stanie sprzed rozpoczęcia topnienia – takie warstwy zawierają dużą liczbę ruchomych jonów przenoszących ładunek. W zakresie temperatur 203–248 kelwinów współczynnik flexoelektryczny wykazywał stałe właściwości ze średnią ważoną wartością 1,14 ± 0,13 nanokulombów na metr. Wynik ten okazał się podobny do uzyskanego dla ceramiki dielektrycznej, a współczynnik sprzężenia flexoelektrycznego (współczynnik flexoelektryczny podzielony przez przenikalność dielektryczną), równy 1,29 ± 0,15 wolta, mieścił się w zakresie wewnętrznej flexoelektryczności ciał stałych.
Jednakże w temperaturze poniżej 203 kelwinów współczynnik fleksoelektryczny ponownie wzrósł, osiągając szczyt 7,6 nanokulombów na metr w temperaturze 164,6 ± 1,7 kelwina. Autorzy pracy zauważyli, że taką zależność temperaturową obserwowano wcześniej jedynie w materiałach ceramicznych o wyraźnych właściwościach ferroelektrycznych. W rezultacie fizycy założyli, że przyczyną tego maksimum fleksoelektrycznego było ferroelektryczne przejście fazowe ograniczone do obszaru przypowierzchniowego materiału. Dodatkowym potwierdzeniem hipotezy była zmierzona pętla histerezy, która miała kształt motyla, a także obliczona energia swobodna Helmholtza, która wykazała przesunięcie temperatury Curie do 164,6 kelwina przy grubości warstwy naskórkowej 14,6 nanometra (szacowana eksperymentalnie 20,3 nanometra).
Autorzy artykułu podkreślili ponadto, że ich szacunki numeryczne wyjaśniają separację ładunków elektrycznych w chmurach burzowych: w wyniku zderzenia płatków zbożowych z kryształkami lodu oba materiały odkształcają się i wymieniają ładunki fleksoelektryczne – płatki zbożowe nabierają ładunku ujemnego, a lód dodatniego. Jednak taki model znacznie upraszcza wszystkie procesy pośrednie i, zdaniem fizyków, wymaga dalszych wyjaśnień.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak metastabilna woda przekształciła się w lód-VII, a dopiero potem w lód-VI.
