图1.样品制备及挠曲电表征。a，两片电极和水层组成电容结构；b，对冰电容梁进行三点弯加载；c，示波器同步记录位移和电荷；d，电极化与应变梯度呈线性关系

由西安交通大学联合领导的一项研究，通过实验首次揭示了冰的挠曲电效应，并发现冰在约160 K时发生表面铁电相变，这意味着当其发生不均匀变形时能够产生电流。这一发现不仅为理解冰的本征物性提供了新视角，也为探索冰在自然带电现象中的潜在作用开辟了新方向。相关研究成果以“Flexoelectricity and Surface Ferroelectricity of Water Ice”为题在线发表于《自然·物理》（Nature Physics）。

图2.

冰（冻结的水）是地球上最丰富的物质之一，存在于冰川、山巅和极地冰盖中。尽管它是一种众所周知的物质，但对其性质的研究仍不断带来令人着迷的发现。

由巴塞罗那自治大学ICN2研究中心、西安交通大学及纽约州立大学石溪分校联合开展的国际研究首次证实：普通冰是一种挠曲电材料。

换言之，它在受到机械变形时能产生电能。这一发现可能对未来科技设备的发展产生重大影响，并有助于解释雷暴中闪电形成等自然现象。

这项研究标志着我们在理解冰的机电特性方面迈出了重要一步。

图3.挠曲电响应与力学特性的温度依赖性。a，挠曲电系数；b，位移与电荷相位关系；c，杨氏模量（左）和蠕变位移（右）

研究人员发现冰在所有温度下都会因机械应力产生电荷。此外，在低于-113℃（160K）的温度时，还在冰表面识别出薄层“铁电”结构。

这意味着冰表面能够形成天然的电极化现象，当施加外部电场时这种极化状态可被逆转——类似于磁铁两极的翻转。这种表面铁电性本身就是一个很酷的发现，因为它表明冰可能不仅有一种发电方式，而是两种：极低温下的铁电效应，以及在更高温度（直至0℃）下表现出的挠曲电性。

这种特性使冰与二氧化钛等电陶瓷材料处于同等地位，后者目前被应用于传感器和电容器等尖端技术领域。

挠曲电效应近年来颇受关注，已在液晶，陶瓷，骨骼，聚合物，生物薄膜等体系中得到实验观测，并为理解骨骼自愈合和哺乳动物听觉等自然生理现象提供了新的视角。

图4.金属-冰界面第一性原理计算。a，冰XI–Au(111)和冰Ih–Au(111)界面结构；b，电极界面作用降低冰XI相自由能，提升居里温度点（红蓝曲线交叉点）；c，居里温度点与铁电皮肤层厚度关系

冰、挠曲电性与雷暴

这项发现最令人惊讶之处在于其与自然的关联。研究结果表明，冰的挠曲电性可能在雷暴期间云层带电过程中发挥作用，进而影响闪电的形成机制。

已知闪电形成于云层中冰粒碰撞产生电荷后积累电势的过程。这种电势随后以闪电形式释放。然而，冰粒带电的具体机制始终成谜，因为冰本身不具压电性，无法仅通过碰撞压缩产生电荷。

图5.冰-霰碰撞充电中的挠曲电贡献。a，典型碰撞过程及电荷分离示意图；b，接触界面附近的挠曲电极化；c，挠曲电极化电荷量（粉色带区）与风洞实验实测电荷量吻合

但研究发现，当冰粒遭受非均匀变形（即弯曲或不规则变形）时，仍可获得电荷。

在研究过程中，研究人员设计了一种特殊的电容梁结构，测量了冰板弯曲时产生的电势。具体而言，就是将冰块置于两块金属板之间并连接至测量装置。结果与先前在雷暴中观察到的冰粒碰撞现象相吻合。

因此，研究结果表明，挠曲电性可能是解释雷暴中产生电势并引发闪电的一种可能机制。

该团队的研究人员正着手探索新的研究方向，旨在将冰的这些特性应用于现实世界。

这一研究成果不仅拓展了对冰这种天然固体的认知边界，也将其纳入了“智能介质”的研究范畴。除了在寒冷环境中原位制备低成本换能器方面具有潜在应用前景，该研究对理解涉及冰或类冰界面水的诸多自然现象亦具有深远意义。尽管讨论具体解决方案尚早，但这项发现有望为开发新型电子设备铺平道路——这些设备将冰作为活性材料，可在低温环境中直接制造。

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