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 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.
