Led je téměř všude na Zemi – v ledovcích, sněhu a mracích. Přestože je tak běžný, stále skrývá tajemství ohledně svých fyzikálních vlastností.
Dlouhodobá hádanka se týká jejího elektrického chování. Každá molekula vody je polární, což znamená, že má pozitivní a negativní konec. Když však voda zamrzne na obyčejný hexagonální led (známý jako ICE IH), celkový krystal nevykazuje žádnou polaritu. Důvod spočívá v pravidlech toho, jak se atomy vodíku uspořádají. Každý kyslík se musí spojit se dvěma blízkými atomy vodíku, ale přes mříž jsou orientace atomů vodíku náhodné. Tato porucha brání budování nábojů organizovaným způsobem a místo toho je zruší. Výsledkem je, že ICE není piezoelektrická, na rozdíl od křemene nebo určité keramiky. Piezoelektrické materiály generují elektrický náboj při stisknutí; Ice ne.
Příroda však často naznačila jiný příběh. Thunderclouds produkují blesky, když se srazí částice ledu a Graupel (Soft Hail). Praskání ledových listů a lavin uvolňují elektromagnetické výbuchy. Je zřejmé, že led může při stresu vyrábět elektřinu, ale fyzické vysvětlení zůstalo nejisté. Tradiční modely vyvolaly potenciály mrazu, povrchové ionty nebo rozdíly v teplotě mezi kolizujícími částicemi. Tato vysvětlení však často nedosáhla a neshodovala pozorování velikosti náboje nebo obrácení polarity uvnitř bouří.
Vysoké sázky
To je místo, kde je koncept flexoelektriky důležitý. Flexoelectricita je univerzální vazba mezi mechanickým ohybem (napěťové gradienty) a elektrickou polarizací. Na rozdíl od piezoelektriky, flexoelektrika nevyžaduje speciální krystalovou symetrii: může se vyskytnout v jakémkoli materiálu. Když je pevná látka ohnuta, stlačená nerovnoměrně nebo jinak deformovaná nerovnoměrným způsobem, mohou se objevit náboje. Účinek je obvykle malý, ale může růst v materiálech s vysokými dielektrickými konstanty, jako je keramika.
Mohlo by se to také vyskytnout na ledu?
To je to, v čem nová studie Fyzika přírodyVedení týmů v Číně ve Španělsku a USA se rozhodlo prozkoumat. Před touto studií nikdo přímo změřil flexoelektriku v ledu. Vyhlídka na to, že to potvrdí, je lukrativní. Znamenalo by se to, že led, i když neizoelektrický, je elektromechanicky aktivní, když je ohnutý. To by také naznačovalo nový fyzický mechanismus pro nabíjení bouřek, potenciálně doplňující nebo dokonce korekce starších teorií.
Sázky jsou ve skutečnosti vysoké: Elektrifikace bouřky je jedním z nejstarších nevyřešených problémů v atmosférické vědě. Vědci po více než století diskutovali o tom, jak kolizující částice ledu vytvářejí obrovská elektrická pole, která produkují blesky. Řešení tohoto tajemství je nezbytné pro meteorologii, bezpečnost letectví a dokonce i klimatické vědy, protože bleskové ovlivňují atmosférickou chemii (a změna klimatu je také Udělat blesky stávky běžnější).
Vědci provedli první systematické testy tím, že se pokusili odpovědět na některé otázky. Dva z nich byly: je Ice IH ve skutečnosti flexoelektrické, a pokud ano, jaký je jeho koeficient? A může flexoelektricita vysvětlit nabíjení částic ledu ve bouřkách?
Jejich experimenty a simulace poskytly silné důkazy o obou počtech.
Hledat anomálie
Pro testování elektromechanických vlastností ICE vytvořili vědci „ledové kondenzátory“. Posílili ultrapure, odplynuli vodu mezi dvě kovové elektrody a poté ji ztuhly při okolním tlaku, aby vytvořily desky polykrystalického ledu o několik milimetrů tlusté. Na hliníkové fólie byly aplikovány zlaté nebo platinové povlaky, aby sloužily jako elektrody. Rentgenová difrakce a Ramanova spektroskopie potvrdily, že vzorky byly v normální hexagonální ledové fázi (IH) a ne nějakou exotickou variantu.
Jádro experimentu použilo dynamický mechanický analyzátor. Toto zařízení aplikovalo řízený tříbodový ohybový pohyb: ledová deska spočívala na dvou podpěrách, zatímco sonda se tlačila dolů uprostřed. Když se led ohnul, vědci měřili jak mechanické posun, tak výsledné elektrické náboje. Zesilovač náboje připojený k elektrodám zachytil signály, zatímco osciloskop data synchronizovala. Analýzou vztahu mezi gradienty kmene a polarizací extrahovali flexoelektrický koeficient – číslo, které říká, jak dobře silně ohýbá led, produkuje náboj.
Měření byla prováděna v širokém teplotním rozsahu, od 143 K do 273 K. To umožnilo týmu hledat anomálie spojené s fázovými přechody nebo povrchovými efekty. Paralelně vystupovali od začátku Kvantové mechanické simulace pro modelování, jak rozhraní ledové vody s různými kovy-zlato, platina, hliník-ovlivnily povrchové uspořádání. Tyto výpočty pomohly vysvětlit experimentální anomálie.
Nakonec tým vytvořil teoretický model pro srážky ledu graupelu ve bouřkách. Pomocí klasické kontaktní mechaniky a jejich naměřených flexoelektrických koeficientů vypočítali množství separace náboje během srážek mezi částicemi. Srovnali své předpovědi s desetiletími laboratorních údajů o nabíjení ledu za bouřkových podmínek.
Výsledky byly pozoruhodné. Nejprve tým poprvé ukázal, že ICE je skutečně flexoelektrický. Mezi 203 K a 248 K byl efektivní flexoelektrický koeficient trvale kolem 1,01-1,27 nanocoulombs na metr. Nejedná se o triviální hodnotu: je srovnatelná s hodnotou dobře studované dielektrické keramiky, jako je titanát stroncia a olovo zirkan. Jinými slovy, led, který byl dlouho myslet na elektromechanicky inertní, může při ohýbání produkovat významnou elektrickou polarizaci.
Skrytá překvapení
Důležité pro meteorologii tým ukázal, že Flexoelectricita Ice může hrát hlavní roli v bouřkách. Jejich výpočty polarizace vyvolané kolizí odpovídaly rozsahu poplatků měřených v minulých laboratorních studiích dopadů na ledové grapel. Model navíc přirozeně vysvětlil záhadné rysy elektrifikace bouřek, jako je obrácení polarity náboje s teplotou. Když je flexoelektrický koeficient pozitivní, Graupel má tendenci být negativně nabitý; Když se otočí negativní při vyšších teplotách, polarita se zvrátí. Toto odpovídalo pozorování trojitých struktur bouřky, kde koexistují oblasti opačných poplatků.
Vědci však varovali, že flexoelektrita však pravděpodobně nebude jediným mechanismem. Elektrifikace bouře je složitá a zahrnuje povrchové ionty, tání, zlomeniny a nečistoty. Flexoelectricita je však univerzální: každá nehomogenní deformace ji musí vytvořit. To z něj učinilo robustní přispěvatel k nabíjení bouřky, prostě ne jediný. Jejich práce potenciálně přidala velký nový kus do stoleté puzzle.
Studie tak mohla transformovat naše chápání ledu. Ukázalo se, že obyčejná led IH, navzdory postrádání piezoelektriky, je flexoelektrická se silou podobnou keramice. A navrhl, že flexoelektrita poskytuje přirozený, kvantitativní mechanismus pro nabíjení ledových částic v bouřkách, což potenciálně pomáhá vysvětlit, jak se blesky rodí.
Konečně se zdá, že i ten nejznámější materiál, vodní led, stále skrývá překvapení. Snowflake není jen zmrazená voda: pod ohýbáním a kolizí se může chovat jako malý generátor. A v turbulentním tanci bouřkových mraků mohou tyto nepatrné generátory rozsvítit oblohu.
Publikováno – 16. září 2025 11:07
