水和电不兼容是一个众所周知的事实，但新的研究表明，冰是一种压电材料——用通俗的话来说，这意味着它可以产生电力。
通过揉搓两块冰块来节省家庭账单的可能性不大，但研究表明，弯曲或以其他方式使冰片变形可以产生电荷。研究人员在Nature Physics上发表的文章称，这不仅可能为新技术铺平道路，还可能增进我们对闪电和其他自然现象的理解。
"我们发现，冰在所有温度下都会响应机械应力产生电荷，”ICN2氧化物纳米物理学小组的成员、该研究的主要研究人员之一Xin Wen在一份声明中说。
来自冰的电力
虽然冰本身产生的电荷可能足以影响闪电等自然现象，但它太小，无法集成到电子设备中。然而，随后在Nature Materials上发表的一篇论文表明，“掺杂”冰与氯化钠（或盐）可以将其压电系数——即材料产生电荷的能力——提高1000倍。
“含盐冰的高压电性使利用冰能的愿景更接近现实，并且可能与冰覆盖的陆地区域以及像欧罗巴或恩塞拉多斯这样的冰冷海洋世界的电活动有关，”该研究的作者写道。
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产生电荷
冰不是压电的，这意味着它在受压时不会产生电荷。然而，通过弯曲薄冰片，科学家们能够产生电荷，并展示出一种研究人员称之为“可比”于钛酸钡和锶钛酸钡等压电材料的压电性，这些材料常用于传感器和电容器。
“压电性有两个贡献：离子（来自原子的小位移）和电子（来自电子云的位移），”合作者Anthony Mannino解释道，他是石溪大学物理与天文学系和先进计算科学研究所（IACS）的博士生。“在普通冰中，电子部分占主导地位——当冰弯曲时，电子重新分布以产生极化，而原子构型保持相对刚性。”
研究人员表示，这一过程可能有助于解释闪电的形成。因为众所周知，在雷雨云中，当小冰粒与大冰雹粒子碰撞时会产生电势，但这些粒子究竟是如何带电的仍然是个谜。现在看来，当粒子不规则变形时，可能会产生电荷。
该团队还发现了一种产生电荷的第二种方法：铁电性。在零下113摄氏度（零下171.4华氏度）及以下的极低温度下，一层薄的“铁电”层使冰的表面能够获得天然的电极化。
Mannino说：“在铁电冰中，水分子的取向使得离子部分发挥更大的作用，因此电子和离子都对极化做出了显著贡献。”
一对能量搭档
冰以雪花、霜和冰川的形式存在，是地球上最丰富的物质之一——事实上，它占地球表面积的约10%。问题在于，冰本身似乎并不是发电效率最高的。
添加氟化钠后情况发生了改变。一种含有25%盐的溶液产生的电荷是纯冰的1000倍，是纯盐的100万倍。其原因是弯曲冰时含盐水的运动——这个过程会释放水分子和盐离子，使它们能够从压缩区域迁移到拉伸区域。
还有一些问题需要解决——例如，效率会随着时间的推移而显著下降——但研究人员表示，这可以为低成本传感器和能量收集设备提供一种替代材料。正如研究人员所写，“寻找可再生、可持续且低成本的能源是现代社会最紧迫的挑战之一。”
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文章来源
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- Nature Physics.水冰的压电性和表面铁电性
- Nature Materials.含盐冰中的流体压电性
