کشف حیرتانگیز: یخ وقتی خم میشود، میتواند برق تولید کند
یخآب یکی از فراوانترین مواد جامد روی زمین است. به دلیل اهمیت حیاتی آب برای زندگی و نقش یخ در تنظیم اقلیم زمین، دانشمندان سالهاست آن را از جنبههای مختلف بررسی میکنند. بااینحال، هنوز هم ویژگیهای تازه و شگفتانگیزی از یخ کشف میشود که نشان میدهد شناخت ما از این مادهی فراوان کامل نیست.
یکی از نکات مهمی که درباره یخ میدانیم، این است که یخ معمولی یافتشده روی زمین (یخ دارای ساختار کریستالی ششضلعی) پیزوالکتریک نیست. پیزوالکتریسیته به پدیدهای گفته میشود که در آن برخی مواد مثل کریستالها و سرامیکها وقتی تحت فشار یا ضربه مکانیکی قرار میگیرند، برق تولید میکنند.
اما چرا یخ چنین خاصیتی ندارد؟ مولکولهای آب مثل آهنربای کوچک رفتار میکنند؛ زیرا یک سرشان بار مثبت و سر دیگرشان بار منفی دارد. پس بهطور طبیعی انتظار داریم وقتی این مولکولها در کنار هم تشکیل یخ میدهند، یخ بتواند خاصیت الکتریکی نشان بدهد. اما در واقع اینطور نیست. پس علت چیست؟
در یخ معمولی، اتمهای هیدروژن باید طبق قوانین برنال–فاولر کنار اتمهای اکسیژن قرار بگیرند. براساس قوانین مذکور، هر اکسیژن باید دقیقاً دو هیدروژن داشته باشد؛ اما بین هر دو اکسیژن فقط یک هیدروژن میتواند مشترک باشد. این محدودیت باعث میشود هیدروژنها همیشه بهطور تصادفی چیده شوند و نظم بلندمدت نداشته باشند. در نتیجه، اگرچه هر مولکول آب یک دوقطبی کوچک است، اما وقتی همهشان کنار هم جمع میشوند، قطبها یکدیگر را خنثی میکنند و در مقیاس بزرگ هیچ اثر الکتریکی (پیزوالکتریسیته) دیده نمیشود.
بااینحال، میدانیم که در طبیعت یخ میتواند در اثر فشار مکانیکی بار الکتریکی ایجاد کند. مثلاً برخورد ذرات یخ درون ابرها میتواند بار الکتریکی بسازد و همین بارها در نهایت به شکل صاعقه آزاد شوند. اما سازوکار دقیق این پدیده برای دانشمندان روشن نبود.
گروهی از پژوهشگران بعد از چندین آزمایش، راهحلی تازه برای معما پیدا کردند. آنها تکهای یخ را بین دو صفحه فلزی قرار دادند و آن را خم کردند، سپس دستگاه میزان برق تولیدشده را اندازه گرفت. پروفسور گوستاو کاتالان از مؤسسه علوم نانو و فناوری کاتالونیا میگوید نتیجه این آزمایش دقیقاً شبیه همان چیزی بود که هنگام برخورد ذرات یخ درون ابرها و شکلگیری صاعقه دیده میشود.
دانشمندان متوجه شدند که یخ خاصیتی به نام «فلوکسیوالکتریسیته» دارد؛ یعنی وقتی خم میشود میتواند برق تولید کند. قدرت این پدیده آنقدر زیاد است که با مواد پیشرفتهای مثل تیتانیوم دیاکسید که در ساخت خازنها و حسگرهای الکترونیکی به کار میرود، برابری میکند. مهمتر از همه، این کشف میتواند توضیح تازهای برای چگونگی ایجاد بار الکتریکی در ابرها و شکلگیری رعدوبرق باشد.
قدرت تولید برق یخ به اندازه مواد با خاصیت الکتریکی مانند تیتانیوم دیاکسید است و میتواند توضیحی برای شکلگیری بار و صاعقه در ابرها باشد
دکتر شین ون، از محققان اصلی پژوهش، میگوید: «متوجه شدیم که یخ در هر دمایی وقتی تحت فشار قرار میگیرد، برق تولید میکند. علاوهبراین، وقتی دما پایینتر از منفی ۱۱۳ درجه سانتیگراد باشد، لایه نازک فروالکتریکی روی سطح یخ شکل میگیرد. یعنی سطح یخ خودش میتواند به طور طبیعی بار الکتریکی داشته باشد و حتی با وارد کردن میدان الکتریکی خارجی، این بار قابل تغییر است؛ درست مثل قطبهای یک آهنربا که میتوان آنها را برعکس کرد.»
شین ون افزود: «این کشف بسیار جالب است؛ زیرا نشان میدهد که یخ دو روش برای تولید برق دارد: در دماهای بسیار پایین با فروالکتریسیته و در دماهای بالاتر (تا صفر درجه سانتیگراد) با فلوکسیوالکتریسیته.»
اکنون گروه پژوهشی میخواهد امکانپذیری استفاده از یخ بهعنوان مادهای فعال در ساخت دستگاههای الکترونیکی جدید را که بهطور طبیعی برای کار در محیطهای سرد مناسب باشد، بررسی کند.
نتایج پژوهش در ژورنال Nature Physics منتشر شده است.