Ο πάγος παράγει ηλεκτρισμό όταν στρεσάρεται

Μια από τις πιο συνηθισμένες εικόνες στη ζωή μας, ο πάγος σε ένα ποτήρι καφέ ή το χιόνι στις κορυφές των βουνών, κρύβει ιδιότητες που μόλις τώρα αρχίζουν να αποκαλύπτονται. Νέα έρευνα δείχνει ότι ο πάγος μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό όταν δέχεται μηχανική πίεση, κάμψη ή στρέβλωση. Το φαινόμενο, που περιγράφεται σε δημοσίευση του περιοδικού Nature Physics, ανατρέπει την εικόνα του πάγου ως ενός «παθητικού» υλικού και τον τοποθετεί σε μια νέα κατηγορία υλικών με ενεργές ηλεκτρομηχανικές δυνατότητες.

Από την απορία στο πείραμα

Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι ο πάγος μπορεί να σχετίζεται με ηλεκτρικά φαινόμενα. Η πιο χαρακτηριστική περίπτωση είναι οι κεραυνοί που προκύπτουν από τις συγκρούσεις φορτισμένων παγοκρυστάλλων στα σύννεφα. Το μυστήριο ήταν γιατί ο πάγος δεν εμφανίζει πιεζοηλεκτρισμό – δηλαδή τη δυνατότητα να παράγει ηλεκτρικό φορτίο όταν ασκείται πίεση που αλλάζει τη δομή του.

Σε μοριακό επίπεδο, το νερό που σχηματίζει τον πάγο αποτελείται από πολωμένα μόρια. Ωστόσο, όταν αυτά οργανώνονται σε εξαγωνικό πλέγμα, οι διπολικές κατευθύνσεις τους μοιράζονται τυχαία, με αποτέλεσμα να ακυρώνονται μεταξύ τους. Έτσι, ο πάγος δεν εμφανίζει την κλασική πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά.

Η ανατροπή μέσω του φλεξοηλεκτρισμό

Η ομάδα του Xin Wen από το Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia στην Ισπανία ακολούθησε διαφορετικό δρόμο. Αντί να επικεντρωθεί στον πιεζοηλεκτρισμό, διερεύνησε τον φλεξοηλεκτρισμό – την ικανότητα ενός υλικού να παράγει ηλεκτρισμό όταν λυγίζει ή παραμορφώνεται. Σε αντίθεση με τον πιεζοηλεκτρισμό, ο φλεξοηλεκτρισμός μπορεί να εμφανιστεί σε οποιοδήποτε υλικό, ανεξάρτητα από τη συμμετρία της κρυσταλλικής του δομής.

Στο πείραμα, τοποθέτησαν έναν παγοκρύσταλλο ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια, εξασφαλίζοντας ότι η παραγόμενη τάση δεν οφειλόταν σε πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: κάθε φορά που λύγιζαν τον πάγο, παραγόταν ηλεκτρικό φορτίο – και μάλιστα σε όλο το φάσμα θερμοκρασιών, από πολύ χαμηλές μέχρι κοντά στο μηδέν βαθμούς Κελσίου.

Ένα ακόμη «κρυφό» μυστικό του πάγου

Η μεγαλύτερη έκπληξη ήρθε όταν οι ερευνητές κατέγραψαν ότι κάτω από -113 βαθμούς Κελσίου σχηματίζεται στην επιφάνεια του πάγου μια λεπτή στοιβάδα με σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες. Με απλά λόγια, η επιφάνεια του πάγου αποκτά μόνιμη ηλεκτρική πόλωση, η οποία μάλιστα μπορεί να αντιστραφεί αν εφαρμοστεί εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο – όπως ακριβώς οι πόλοι ενός μαγνήτη μπορούν να αλλάξουν φορά.

Αυτό σημαίνει ότι ο πάγος διαθέτει δύο μηχανισμούς παραγωγής ηλεκτρισμού: σιδηροηλεκτρισμό σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και φλεξοηλεκτρισμό σε θερμοκρασίες έως το σημείο τήξης.

Από τις καταιγίδες στην τεχνολογία

Οι επιπτώσεις της ανακάλυψης είναι διπλής σημασίας. Σε πρακτικό επίπεδο, ο συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων φέρνει τον πάγο πιο κοντά σε υλικά που ήδη χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες αιχμής, όπως το διοξείδιο του τιτανίου σε αισθητήρες και πυκνωτές.

Σε φυσικό επίπεδο, η ανακάλυψη βοηθά στην κατανόηση φαινομένων όπως οι καταιγίδες. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρικά δυναμικά που δημιουργούνται στο πείραμα ταιριάζουν με τις εντάσεις που αναπτύσσονται από τις συγκρούσεις παγοκρυστάλλων μέσα στα σύννεφα. Είναι πιθανό, λοιπόν, ο φλεξοηλεκτρισμός να παίζει ρόλο στη γέννηση των κεραυνών.

Νέες προοπτικές

Η ομάδα του Wen υπογραμμίζει ότι η ανακάλυψη χρειάζεται περαιτέρω μελέτη. Ωστόσο, ήδη ανοίγει τον δρόμο για νέες ερμηνείες στη φυσική του πάγου και νέες εφαρμογές στη μηχανική και την τεχνολογία. Είτε πρόκειται για καλύτερη κατανόηση των καιρικών φαινομένων είτε για ανάπτυξη καινοτόμων ηλεκτρονικών συσκευών, ο πάγος αποδεικνύεται πολύ πιο «ζωντανός» και ενεργός απ’ όσο φανταζόμασταν.

[via]