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.
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.
