Фізики виявили, що звичайна крига демонструє флексоелектричні властивості, генеруючи електрику при згинальних деформаціях. Таку поведінку льоду вчені пояснили сегнетоелектричним фазовим переходом у приповерхневому шарі завтовшки всього 15-20 нанометрів. Робота фізиків також вказала на можливий внесок флексоелектрики у поділ зарядів у грозових хмарах. Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Physics.
Хоча фізики відкрили вже 19 кристалічних модифікацій водяного льоду, характеристики навіть найпоширенішого звичайного льоду (він же лід-Ih), вивчені далеко не повністю. Наприклад, залишається відкритим питання про його електромеханічні властивості: дослідники неодноразово звертали увагу на зв'язок атмосферної електрики та кристалів льоду в хмарах. При цьому правила Бернала-Фаулера забороняють льоду-Ih генерувати вільні заряди при стисканні або розтягуванні, оскільки в такому кристалі атоми водню не демонструють структури далекого порядку. Іншими словами, незважаючи на гексагональну решітку, побудовану атомами кисню, цей тип льоду є скупченням хаотично орієнтованих диполів, що суперечить суті п'єзоелектрики. Отже, причина появи електричних зарядів має бути у чомусь іншому.
Фізики з Іспанії, Китаю та США під керівництвом Вень Сіня (Xin Wen) з Університету Сіань Цзяотун припустили, що лід Ih може генерувати заряди завдяки флексоелектричному ефекту - явищу, при якому існує зв'язок між поляризацією матеріалу та градієнтом його деформації.
Щоб перевірити свою гіпотезу, вчені виготовили конденсатори із двох покритих золотом алюмінієвих пластин, між якими заморозили шар надчистої води завтовшки приблизно два міліметри. Спочатку фізики провели п'єзоелектричні вимірювання, щоб підтвердити неп'єзоелектричну природу крижаних зразків, а потім використовували динамічний механічний аналізатор і створили в конденсаторах триточкову згинальну згинальну деформацію з максимальною напругою в 0,006 гігапаскаля, зафіксувавши краї конденсатора. Такий підхід спровокував у матеріалі флексоелектричний відгук, який автори виміряли в діапазоні температур від 143 до 273 кельвін.
При температурі вище 248 кельвін флексоелектрика помітно посилилося, що фізики пояснили переходом льоду в квазирідкі шари, характерні для тих випадків, коли матеріал перебуває в стані перед початком плавлення, — в таких шарах міститься велика кількість рухомих іонів, що переносять заряд. У діапазоні 203-248 кельвін флексоелектричний коефіцієнт виявив константні властивості із середньозваженим значенням 1,14 ± 0,13 нанокулон на метр. Такий результат виявився схожим на діелектричну кераміку, а коефіцієнт флексозв'язку (флексоелектричний коефіцієнт, поділений на діелектричну проникність), рівний 1,29 ± 0,15 вольт, потрапив у діапазон для власної флексоелектрики в твердих тілах.
Однак при температурі нижче 203 кельвін флексоелектричний коефіцієнт знову виріс, досягнувши піку 7,6 нанокулона на метр при температурі 164,6 ± 1,7 кельвіна. Автори роботи зазначили, що така температурна залежність раніше спостерігалася лише у керамічних матеріалах із явними сегнетоелектричними властивостями. У результаті фізики припустили, що причиною цього флексоелектричного максимуму став сегнетоелектричний фазовий перехід, обмежений приповерхневою областю матеріалу. Додатковим підтвердженням гіпотези стала виміряна петля гістерезису, що мала форму метелика, а також обчислена вільна енергія Гельмгольця, яка показала зміщення температури Кюрі до 164,6 кельвіна при товщині скін-шару в 14,6 нанометра (експериментальна оцінка склала 2).
Крім цього автори роботи наголосили, що їхні чисельні оцінки пояснили поділ електричних зарядів у грозових хмарах: через зіткнення крупи з кристаликами льоду обидва матеріали деформуються та обмінюються флексоелектричними зарядами — крупа стає негативно зарядженою, а лід позитивно. Разом з тим, така модель дуже спрощує всі проміжні процеси, і на думку фізиків, вимагає подальшого уточнення.
Про те, як метастабільна вода перетворилася на лід-VII і лише потім на лід-VI, ми писали раніше.
