Здавалося б, лід — одна з найпоширеніших та найкраще вивчених речовин на Землі. Проте нове дослідження показує, що ми досі не знаємо всіх його таємниць. Вчені з Каталонського інституту нанонауки та нанотехнологій (ICN2) виявили дивовижну властивість льоду: він генерує електрику під час згинання. Це відкриття може не лише змінити наше уявлення про цю звичну субстанцію, але й нарешті дати вичерпну відповідь на давню загадку природи — як саме зароджуються блискавки, пише T4.
Протягом багатьох років науковці стикалися з парадоксом. Було відомо, що зіткнення крижаних частинок у грозових хмарах призводить до накопичення електричного заряду, який зрештою розряджається у вигляді потужного спалаху блискавки. Однак механізм цього явища залишався незрозумілим. Проблема полягала в тому, що звичайний лід не є п’єзоелектриком. П’єзоелектрика — це властивість деяких матеріалів, наприклад, кристалів кварцу, виробляти електрику під дією прямого механічного тиску. Хоча молекули води полярні, у кристалічній ґратці льоду атоми водню розташовані хаотично, через що їхні індивідуальні електричні поля взаємно компенсуються, і макроскопічного п’єзоелектричного ефекту не виникає.
Відповідь знайшлася в іншій площині. Дослідники припустили, що справа не в прямому тиску, а в деформації. Вони провели експеримент, під час якого згинали невелику крижану пластину, фіксуючи виникнення електричного потенціалу. Результати перевершили всі очікування: виміряні показники повністю збіглися з тими, що спостерігаються під час зіткнень частинок льоду в грозових хмарах. Це явище, відоме як флексоелектрика, виявилося напрочуд потужним, співставним за силою з ефектом у високотехнологічних керамічних матеріалах, що використовуються в сучасних сенсорах та конденсаторах. Таким чином, саме згинання та деформація кристалів льоду в турбулентних потоках хмари, а не їх просте зіткнення, є ключем до генерації електрики.
На додачу до основного відкриття, вчені виявили ще одну незвичайну властивість льоду. При екстремально низьких температурах, нижче -113 °C, на його поверхні утворюється тонкий «фероелектричний» шар. Це означає, що поверхня льоду набуває природної електричної поляризації, яку можна змінювати зовнішнім електричним полем — подібно до того, як перемикаються полюси магніту. Отже, лід має не один, а два механізми генерації електрики: флексоелектричний, що працює в усьому діапазоні температур аж до точки танення, та фероелектричний, який активується в умовах сильного холоду.
Це дослідження не лише проливає світло на фундаментальний природний процес, що стоїть за виникненням блискавок, але й відкриває нові горизонти для технологій. Вчені вже планують вивчити, чи можна використовувати унікальні електричні властивості льоду для створення нових електронних пристроїв. Такі прилади могли б ефективно працювати в екстремально холодних середовищах, наприклад, у космосі або на інших планетах, перетворюючи звичайний лід на активний матеріал майбутнього.
Читайте також, які професії виживуть в епоху ШІ.
