在地球最常見的物質(zhì)之一——冰中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個隱藏?cái)?shù)十億年的電學(xué)秘密。由巴塞羅那自治大學(xué)加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所聯(lián)合多國研究團(tuán)隊(duì)完成的突破性研究證實(shí)，普通冰是一種撓曲電材料，能夠在機(jī)械變形時(shí)產(chǎn)生電荷。這一發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上的發(fā)現(xiàn)不僅可能革新未來的能源技術(shù)，更為解開雷電形成之謎提供了關(guān)鍵線索。

研究團(tuán)隊(duì)通過精密的實(shí)驗(yàn)裝置，將冰塊置于兩塊金屬板之間并連接測量設(shè)備，首次直接觀測到冰在彎曲變形時(shí)產(chǎn)生的電勢。更令人驚奇的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)在低于零下113攝氏度的極低溫環(huán)境下，冰的表面會形成一層具有鐵電性質(zhì)的薄層，使得冰具備了雙重發(fā)電機(jī)制。

撓曲電現(xiàn)象的重大突破

冰起電事件中的撓曲電現(xiàn)象。圖片來源：《自然·物理》（2025）。

撓曲電效應(yīng)是指材料在受到不均勻機(jī)械變形時(shí)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象，這種效應(yīng)此前主要在特定的陶瓷材料和晶體中觀察到。ICN2氧化物納米物理組成員辛文博士解釋說："我們發(fā)現(xiàn)，在任何溫度下，冰都會在機(jī)械應(yīng)力的作用下產(chǎn)生電荷。這一特性使冰與二氧化鈦等電陶瓷材料處于同等地位。"

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的重要性在于冰的普遍存在和易獲取性。與需要特殊制備工藝的人工電陶瓷材料不同，冰在自然界中大量存在，從極地冰蓋到高山冰川，從雷暴云層到日常生活中的冰塊，都潛在地具備了發(fā)電能力。這種普遍性為開發(fā)基于冰的能源收集技術(shù)提供了巨大潛力。

研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)證實(shí)，冰的撓曲電效應(yīng)在接近零攝氏度的常見溫度下依然有效，這意味著在地球大部分存在冰的環(huán)境中都可能觀察到這種電學(xué)現(xiàn)象。更進(jìn)一步的是，在極低溫條件下發(fā)現(xiàn)的表面鐵電性為冰提供了第二種發(fā)電機(jī)制，使其成為一種具有雙重電學(xué)特性的獨(dú)特材料。

雷電形成機(jī)制的新解釋

長期以來，科學(xué)界對雷電形成的確切機(jī)制存在爭議。雖然人們知道閃電源于雷暴云中冰粒碰撞產(chǎn)生的電荷分離，但冰粒如何獲得電荷一直是個謎團(tuán)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為這與摩擦起電或接觸起電有關(guān)，但這些機(jī)制無法完全解釋觀測到的強(qiáng)大電場強(qiáng)度。

ICN2氧化物納米物理組組長古斯塔夫·卡塔蘭教授指出："我們在研究中測量了一塊冰彎曲產(chǎn)生的電勢，結(jié)果與之前在雷暴天氣中觀察到的冰粒子碰撞結(jié)果相符。"這一發(fā)現(xiàn)為理解雷電形成提供了全新視角。

在雷暴云中，冰粒不斷經(jīng)歷復(fù)雜的機(jī)械變形過程。強(qiáng)烈的對流運(yùn)動使冰粒相互碰撞、翻滾和變形，而每一次不均勻的機(jī)械變形都可能通過撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生電荷。當(dāng)無數(shù)個冰粒同時(shí)經(jīng)歷這種過程時(shí)，累積的電荷量足以產(chǎn)生巨大的電勢差，最終導(dǎo)致閃電的形成。

測量冰撓曲電性的實(shí)驗(yàn)裝置。圖片來源：《自然物理》（2025）。

這種新機(jī)制解釋了為什么雷電往往在冰雹和強(qiáng)對流天氣中更為頻繁和強(qiáng)烈，因?yàn)檫@些條件下冰粒經(jīng)歷更劇烈的機(jī)械變形。同時(shí)，這也可能解釋了不同類型雷暴中電荷分布模式的差異，為改進(jìn)雷電預(yù)測模型提供了理論基礎(chǔ)。

技術(shù)應(yīng)用的廣闊前景

冰的撓曲電特性為開發(fā)新型能源收集技術(shù)開辟了獨(dú)特的可能性。在極地和高海拔地區(qū)，冰是最豐富的天然資源之一，如果能夠有效利用其撓曲電特性，可能為這些偏遠(yuǎn)地區(qū)提供清潔的能源來源。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始探索將這一發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的可能性。在寒冷環(huán)境中，可以設(shè)計(jì)專門的裝置來收集冰在自然變形過程中產(chǎn)生的電能。例如，在冰川活動頻繁的地區(qū)，冰塊的自然運(yùn)動和變形可能成為一種可再生的能源來源。

此外，這一發(fā)現(xiàn)還可能催生全新的傳感器技術(shù)。冰的撓曲電特性使其能夠感知機(jī)械應(yīng)力和變形，這在某些特殊環(huán)境下可能比傳統(tǒng)傳感器更具優(yōu)勢。在極地科學(xué)研究中，基于冰的傳感器可能用于監(jiān)測冰層應(yīng)力變化、裂縫形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

更有趣的是，在低于零下113攝氏度的極端環(huán)境下，冰表面的鐵電性質(zhì)可能被用于開發(fā)特殊的電子器件。這種天然的鐵電材料可能在空間探索和極地科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用，為在極端低溫環(huán)境下工作的電子設(shè)備提供新的設(shè)計(jì)思路。

基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)知的革新

這項(xiàng)研究的意義不僅限于技術(shù)應(yīng)用，它從根本上改變了人們對冰這一普通物質(zhì)的認(rèn)知。長期以來，冰被認(rèn)為是一種相對簡單的材料，其主要價(jià)值在于儲存和釋放熱能。然而，撓曲電特性的發(fā)現(xiàn)揭示了冰在電學(xué)方面的復(fù)雜性和潛力。

從分子層面看，這一現(xiàn)象源于冰晶格結(jié)構(gòu)在機(jī)械變形時(shí)的不對稱性。當(dāng)冰受到不均勻應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生重排，導(dǎo)致正負(fù)電荷的分離。這種微觀機(jī)制的理解不僅加深了對冰晶體學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識，也為研究其他氫鍵材料的電學(xué)特性提供了參考。

研究還發(fā)現(xiàn)，冰的撓曲電特性在很大程度上獨(dú)立于溫度變化，這與大多數(shù)其他撓曲電材料形成了鮮明對比。這種穩(wěn)定性使得冰在廣泛的溫度范圍內(nèi)都能保持其電學(xué)活性，為其實(shí)際應(yīng)用提供了重要保障。

隨著對冰電學(xué)特性認(rèn)識的深入，科學(xué)家們開始重新審視許多與冰相關(guān)的自然現(xiàn)象。從極光的形成到冰河的動力學(xué)行為，從行星科學(xué)中的冰質(zhì)天體研究到氣候變化中冰層的作用，冰的撓曲電特性可能為這些領(lǐng)域的研究提供新的理論工具。

這項(xiàng)研究代表了材料科學(xué)領(lǐng)域的一個重要里程碑，它證明了即使是最普通的物質(zhì)也可能隱藏著令人驚訝的特性。隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，冰的撓曲電特性有望在能源、傳感器和基礎(chǔ)科學(xué)研究等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為人類更好地利用這一地球上最常見的資源開辟新的道路。