Возможное объяснение молний: лед генерирует электричество во время сгибания
Международная группа исследователей установила, что лед способен генерировать электричество во время сгибания или неравномерной деформации.
Ученые давно знают, что молнии возникают при столкновении ледяных частиц внутри облаков. Однако до сих пор не было четкого понимания того, как эти частицы получают электрический заряд, поскольку лед не генерирует электричество во время простого сжатия.
По результатам нового исследования было установлено, что неравномерная деформация льда во время подобных столкновений ледяных частиц в облаках достаточна для генерации электрических зарядов. Исследование было проведено учеными из Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2), Сианьского университета Цзяотун и Университета Стоуни-Брук. Исследователи также установили, что электрические свойства льда меняются в зависимости от температуры.
«Эта работа меняет наше представление о льде: из пассивного материала он превращается в активный материал, который может играть важную роль как в фундаментальных исследованиях, так и в практических задачах», — отмечает ведущий автор исследования, нанофизик из Каталонского института Синь Вэнь.
В отличие от пьезоэлектрики, когда электрические заряды генерируются за счет изменения полярности материала под воздействием напряжения, флексоэлектрика может проявляться в материалах с любой симметрией. Это вполне объясняет необычное поведение льда.
В рамках эксперимента исследователи разместили пластину льда между двумя электродами. Они тщательно проверили, чтобы генерируемые электрические заряды не были пьезоэлектрическими. При сгибании пластины она генерировала электричество при всех испытуемых температурах.
«В ходе нашего исследования измерялся электрический потенциал, возникающий при изгибании ледяной пластины. В частности, брусок помещался между двумя металлическими пластинами и подключался к измерительному устройству. Результаты совпадают с теми, что ранее наблюдались при столкновениях частиц льда во время гроз», — объясняет профессор Густау Каталан, руководящий группой исследователей с кафедры оксидной нанофизики в Каталонском институте.
Исследователи также обнаружили, что при температурах ниже — 113°С на поверхности льда формируется тонкий сегнетоэлектрический слой. Как отмечает Синь Вэнь, поверхность льда может образовывать естественную электрическую поляризацию, которую можно обратить, используя внешнее электрическое поле — подобно тому, как полюса магнита могут быть изменены на противоположные.
«У льда может быть не один, а два способа генерации электроэнергии: сегнетоэлектрика при очень низких температурах и флексоэлектрика при более высоких температурах, вплоть до 0°С», — замечает Синь Вэнь.
Эти результаты ставят лед в один ряд с такими перспективными электрохимическими материалами, как диоксид титана, которые широко используются в датчиках и конденсаторах. Способность переключаться между флексоэлектриком и сегнетоэлектриком демонстрирует неожиданную универсальность льда.
«Благодаря этим новым знаниям о льде мы пересмотрим связанные со льдом процессы в природе, чтобы выяснить, есть ли другие существенные последствия флексоэлектричества льда, которые все это время игнорировались», — отмечает Синь Вэнь.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics
Источник: NotebookCheck; Interesting Engineering
