西安交通大學力化學耦合與智能介質實驗室及合作者通過實驗首次揭示了冰的撓曲電效應，并發現冰在約160K（開爾文）時發生表面鐵電相變。這一發現不僅為理解冰的本征物性提供了新視角，也為探索冰在自然帶電現象中的潛在作用開辟了新方向。近日，該研究成果發表在《自然-物理學》。
冰是自然界中分布最廣泛的固體之一，由水分子（H?O）之間的氫鍵網絡構成。盡管單個水分子具有極性，但受限于Bernal–Fowler（伯納爾-福勒）規則，常壓下形成的普通冰（六方Ih相）在整體上呈非極性結構，因此不具備壓電性，無法在受壓時產生電極化。然而，在自然界中，冰的碰撞和斷裂過程常伴有顯著充電現象，尤其在雷暴云中，冰粒和霰粒的碰撞被認為是閃電電荷積累的主要來源之一，但其背后的力-電耦合機制卻長期未明。
團隊及合作者設計了一種特殊的電容梁結構：在兩片金屬電極之間填充超純水，利用表面張力限制其在電極區域內不擴散，隨后在低溫下凍結形成冰梁。通過動態機械分析儀（DMA）對樣品施加三點彎曲變形，同時測量由應變梯度誘發的電極化響應，進而獲得冰的撓曲電系數。結果表明，冰確實具有撓曲電性，其撓曲電系數處于~nC/m量級，與典型氧化物陶瓷相當。
樣品制備及撓曲電表征。西安交通大學供圖
研究團隊進一步測量了冰的撓曲電系數隨溫度的變化。觀測到三個區間：203~248K范圍內，系數相對穩定，屬于本征響應區間；高于248K，信號發散，并伴隨180°相位翻轉及顯著蠕變，這源于冰表面預融化效應的影響；低于203K，系數顯著上升并在160K附近形成峰值，隨后減小。
該研究成果不僅拓展了對冰這種天然固體的認知邊界，也將其納入了“智能介質”的研究范疇。除了在寒冷環境中原位制備低成本換能器方面具有潛在應用前景，該研究對理解涉及冰或類冰界面水的諸多自然現象亦具有深遠意義。
審稿人認為，這項重要的測量為探索冰的撓曲電效應和鐵電性在地球及其他行星云層中冰晶帶電過程中的可能作用打開了大門——這一過程尚未得到很好理解，甚至幾乎未被理解，但卻是大氣現象的核心。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41567-025-02995-6