Fizycy odkryli, że zwykły lód wykazuje właściwości fleksoelektryczne, generując elektryczność pod wpływem odkształceń zginających. Naukowcy przypisali to zjawisko ferroelektrycznej przemianie fazowej w warstwie przypowierzchniowej o grubości zaledwie 15-20 nanometrów. Prace fizyków wskazały również na możliwy udział fleksoelektryczności w separacji ładunków w chmurach burzowych. Wyniki badania 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: naukowcy wielokrotnie zauważali związek między elektrycznością atmosferyczną a kryształami lodu w chmurach. Jednak reguły Bernala-Fowlera zabraniają generowania przez lód-Ih swobodnych ładunków pod wpływem ściskania lub rozciągania, ponieważ atomy wodoru w takim krysztale nie wykazują struktury uporządkowanej dalekiego zasięgu. Innymi słowy, pomimo heksagonalnej sieci zbudowanej z atomów tlenu, ten rodzaj lodu jest skupiskiem losowo zorientowanych dipoli, co przeczy istocie piezoelektryczności. Zatem źródło ładunków elektrycznych musi leżeć gdzie indziej.
Fizycy z Hiszpanii, Chin i Stanów Zjednoczonych, pod przewodnictwem Xin Wena z Uniwersytetu Xi'an Jiaotong, zasugerowali, że lód-Ih może generować ładunki poprzez efekt fleksoelektryczny — zjawisko, w którym istnieje związek między polaryzacją materiału i jego gradientem odkształcenia.
Aby przetestować swoją hipotezę, naukowcy zbudowali kondensatory z dwóch pokrytych złotem aluminiowych płytek, zamrażając między nimi warstwę ultraczystej wody o grubości około dwóch milimetrów. Fizycy najpierw przeprowadzili pomiary piezoelektryczne, aby potwierdzić niepiezoelektryczną naturę próbek lodu. Następnie za pomocą dynamicznego analizatora mechanicznego wywołali w kondensatorach trzypunktowe odkształcenie zginające o maksymalnym naprężeniu 0,006 gigapaskala, unieruchamiając krawędzie kondensatora i przykładając siłę w środku. To podejście wywołało reakcję fleksoelektryczną w materiale, którą autorzy zmierzyli w zakresie temperatur od 143 do 273 kelwinów.
W temperaturach powyżej 248 kelwinów (K) fleksoelektryczność znacząco wzrosła, co fizycy przypisywali przemianie lodu w warstwy quasi-cieczowe, charakterystycznej dla przypadków, gdy materiał znajduje się tuż przed stopieniem. Takie warstwy zawierają dużą liczbę ruchomych jonów przenoszących ładunek. W zakresie temperatur 203–248 kelwinów współczynnik fleksoelektryczny wykazywał stałe właściwości ze średnią ważoną wartością 1,14 ± 0,13 nanokulombów na metr. Wynik ten był podobny do uzyskanego dla ceramiki dielektrycznej, a współczynnik sprzężenia fleksoelektrycznego (współczynnik fleksoelektryczny podzielony przez przenikalność elektryczną), równy 1,29 ± 0,15 wolta, mieścił się w zakresie wewnętrznej fleksoelektryczności ciał stałych.
Jednak w temperaturach poniżej 203 kelwinów współczynnik fleksoelektryczny ponownie wzrósł, osiągając szczyt 7,6 nanokulombów na metr przy 164,6 ± 1,7 kelwina. Autorzy zauważyli, że taką zależność temperaturową obserwowano wcześniej jedynie w materiałach ceramicznych o wyraźnych właściwościach ferroelektrycznych. W związku z tym fizycy postawili hipotezę, że to maksimum fleksoelektryczne było spowodowane ferroelektrycznym przejściem fazowym ograniczonym do obszaru przypowierzchniowego materiału. Dalsze potwierdzenie tej hipotezy dostarczyła zmierzona pętla histerezy w kształcie motyla, a także obliczona energia swobodna Helmholtza, która wykazała przesunięcie temperatury Curie do 164,6 kelwina przy głębokości warstwy wierzchniej 14,6 nanometra (szacowana eksperymentalnie wartość wynosiła 20,3 nanometra).
Ponadto autorzy podkreślili, że ich szacunki numeryczne wyjaśniają separację ładunków elektrycznych w chmurach burzowych: w wyniku zderzenia ziaren z kryształkami lodu oba materiały odkształcają się i wymieniają ładunki fleksoelektryczne – ziarna nabierają ładunku ujemnego, a lód dodatniego. Model ten jednak 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.
