冰也能發電？從撓曲電效應到雷暴云電荷積累

在地球的兩極、高山之巔，乃至你冰箱的冷凍室，冰——這種最常見不過的物質，長久以來被視作電學上的“絕緣體”。然而，一項由西安交通大學及其合作者聯合完成的最新研究，徹底顛覆了這一認知，冰不僅能“凍人”，還能“發電”。

彎曲時能夠產生電流的特性被稱為“撓曲電效應”（flexoelectricity），即非均勻變形（應變梯度）可打破空間反演對稱性，從而在任意對稱性的絕緣體中誘發電極化。該效應近年來頗受關注，已在液晶，陶瓷，骨骼，聚合物，生物薄膜等體系中得到實驗觀測，這也引起了該研究團隊的好奇，冰是否也具有撓曲電性？

為了驗證冰的撓曲電效應，研究團隊設計了一套實驗裝置：他們在兩塊金屬電極之間精心制備了一塊純水冰薄片，通過三點彎曲法施加應力，并實時測量電荷響應，進而獲得冰的撓曲電系數。結果表明，冰與常用于傳感器和電容器等先進技術中的TiO2和SrTiO3等基準電陶瓷的撓曲電性相當，達到了~nC/m量級。

根據測試，這種效應在冰的整個穩定溫度范圍內都存在，更令人驚奇的是，在160K（約-113°C）附近，冰的表面還出現了“ferroelectricity”（鐵電性）——即冰表面自發極化，并能在外電場作用下像是磁鐵一樣翻轉方向。這意味著，冰具備兩種發電機制：在較高溫度下通過彎曲產生電荷，在極低溫度下則可以通過表面極化發電。

除了確定了冰可以發電，該項研究也為雷電的產生提供了一種新的解釋。因為雷暴云中的冰粒和霰粒碰撞常被認為是雷電電荷積累的主要來源，但由于冰不是壓電材料，單純壓縮無法產生電荷，過去雷電產生的現象一直缺乏明確的物理機制來解釋，長期困擾著氣象學界。而這項研究提供了新的線索：冰在碰撞過程中可能發生非均勻變形，從而觸發撓曲電效應，進而產生電荷，這與雷暴云中觀測到的電荷分布高度吻合。

除了揭示自然現象，這項發現也為低溫電子器件的開發提供了新思路。在極地或高海拔環境，甚至外星球中，冰可能可以成為一種原位制造的能量轉換材料，用于傳感器、換能器等設備。