Каждый из нас хоть раз в жизни, затаив дыхание, наблюдал за величественным и пугающим танцем молний в грозовом небе. Полная картина рождения молнии до сих пор ускользала от исследователей. Ключевой элемент головоломки — электризация облаков — оставался предметом ожесточенных споров. И вот, международная группа ученых, кажется, нашла недостающее звено. Ответ оказался у нас буквально под ногами. В обычном льде.

Оказывается, лед — это флексоэлектрик, он способен генерировать электрический заряд, когда его изгибают или деформируют неравномерно. Это открытие не только проливает свет на тайну гроз, но и открывает дорогу к технологиям, о которых мы раньше могли только мечтать.

Чтобы понять всю значимость этого открытия, нужно разобраться в одном тонком, но важном моменте. Многие слышали о пьезоэффекте — свойстве некоторых кристаллов (например, кварца в зажигалках) вырабатывать электричество при сжатии. Долгое время ученые пытались применить эту модель к частицам льда в облаках: они сталкиваются, сжимаются — значит, должен появляться заряд. Но теория не сходилась с практикой, ведь лед, как оказалось, очень плохой пьезоэлектрик.

И вот здесь на сцену выходит флексоэлектричество. В отличие от пьезоэффекта, который реагирует на равномерное сжатие или растяжение, флексоэффект возникает при неоднородной деформации. Представьте, что вы не просто давите на ледяную пластинку, а сгибаете ее. Верхняя часть растягивается, нижняя сжимается, и именно этот градиент напряжений заставляет заряды внутри кристаллической решетки смещаться, создавая на поверхности электрический потенциал.

Но на этом сюрпризы не закончились. Ученые обнаружили, что лед — материал еще более хитрый. При охлаждении до сверхнизких температур, ниже -113 °C, на его поверхности образуется тончайший слой, обладающий свойствами сегнетоэлектрика.

Что это значит? Сегнетоэлектрики — это материалы, которые имеют собственную, спонтанную электрическую поляризацию, подобно тому, как магнит имеет северный и южный полюса. И эту поляризацию можно «переключить» внешним электрическим полем. По сути, лед при сильном охлаждении начинает вести себя как крошечный перезаряжаемый аккумулятор.

Таким образом, у льда оказалось целых два механизма генерации электричества. Флексоэлектричество: работает в широком диапазоне температур (вплоть до точки таяния) и отвечает за заряд при изгибе. Поверхностное сегнетоэлектричество: проявляется в экстремальном холоде и создает собственное электрическое поле на поверхности.

Это ставит обычную замерзшую воду в один ряд с высокотехнологичной электрокерамикой, которая сегодня является основой для множества датчиков, конденсаторов и элементов памяти. Кто бы мог подумать?

Это исследование — прекрасное напоминание о том, что даже самые привычные и изученные, казалось бы, вдоль и поперек вещества могут скрывать в себе удивительные тайны. Обычный лед, который мы видим в зимней луже или добавляем в напитки, оказался сложнейшим электромеханическим материалом, хранителем секрета рождения молний и, возможно, ключом к технологиям будущего. И это значит, что самые невероятные открытия все еще ждут нас — порой в самых неожиданных местах.

Источник: Nature Physics

Изображение: Copilot Designer//DALL·E 3