Физики изогнули лед, и он выработал электричество

Таким образом получилось обнаружить новое свойство водяного льда: в нем проявляется флексоэлектрический эффект в широком диапазоне температур. Это объясняет многие тонкости возникновения молний в грозовых облаках.

Схема экспериментальной установки. В первом случае (референсном) определялись параметры водяного конденсатора (панель a), во втором — ледяного (панель b). Справа — показания осциллоскопа (панель c) и график поляризации при разных нагрузках (панель d) / © Wen, X., Ma, Q., Mannino, A. et al. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02995-6

Если описывать поставленный учеными эксперимент как есть, то выглядит он до смешного просто. Они закрепили пластину особо чистого льда между двумя проводниками и положили этот «бутерброд» на две эластичные изолирующие опоры.

Затем посередине пластины такой же опорой стали давить при различных температурах. Лед между листами золота — это конденсатор, его можно включить в электрическую цепь и измерять в ней параметры всех токов.

Несмотря на кажущуюся простоту, работа над изучением и описанием открытия флексоэлектрического и сегнетоэлектрического эффектов во льду заняла около трех лет. Первый препринт статьи появился в декабре 2022 года, а рецензирование она прошла лишь летом 2025-го. Среди авторов — испанские, американские и китайские физики, сотрудники Каталанского института нанонаук и нанотехнологий, Сианьского университета Цзяотун, а также Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке.

Фазовая диаграмма водяного льда представляет собой настоящий Клондайк для физика. Этот удивительный материал демонстрирует все новые и новые свойства при самых разных комбинациях температур и давлений. Не считая всем знакомого льда Ih, самой распространенной его формы на земле, существует не менее двух десятков его структурных разновидностей (фаз). Тем примечательнее, что в новой научной работе использовался лед Ih, вроде бы изученный вдоль и поперек.

Флексоэлектрический эффект — это поляризация диэлектрика при его неоднородной деформации (изгибе). Не стоит путать его с пьезоэлектрическим эффектом — поляризацией строго определенным образом организованных кристаллов диэлектриков при деформации, — это разные явления. У льда Ih флексоэлектрический эффект экспериментально выявлен впервые. Он проявлялся от криогенных температур до нуля. По флексоэлектрическим характеристикам лед оказался близок к керамикам, которые используются в сенсорах на основе этого эффекта.

Механизм «самозаряда» грозового облака. Мелкая льдинка сталкивается с более крупной (a), возникающая деформация провоцирует флексоэлектрический эффект, поляризация в результате которого показана на панели b. Панель c — сравнение измеренных параметров поляризации в грозовых облаках (разные исследования) с теми данными, которые получаются в результате симуляции такого облака с учетом флексоэлектрического эффекта / © Wen, X., Ma, Q., Mannino, A. et al. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02995-6

Кроме того, во время своих опытов ученые отметили фазовый переход на поверхности ледяного конденсатора, происходящий около отметки в 160 кельвин (минус 113 градусов Цельсия). Он проявил характерные для льда XI сегнетоэлектрические свойства — в нем произошла спонтанная поляризация, ориентацию которой можно было изменить приложением внешнего электрического поля.

Какие новые практические применения могут быть у льда в свете его недавно обнаруженных флексоэлектрических свойств, ученые пока не задумывались. Но в одном это открытие точно здорово помогает всем физикам: теперь яснее становятся механизмы возникновения электрических зарядов в облаках. По мнению авторов научной работы, добавление в модели грозовых туч флексоэлектричества льдинок сделает их точнее и ближе к реальности. Но пока эту мысль они проверили только в первом приближении.