Znanstvenici su otkrili zanimljivo i potencijalno važno svojstvo leda: kada se savija, proizvodi električnu energiju. Ovo otkriće moglo bi pružiti novo objašnjenje za nastanak munja u atmosferi.
Nova studija otkrila je zanimljivo i, čini se, važno svojstvo leda: čini se da proizvodi električnu energiju kada se savija.
Led je vrlo rasprostranjen na Zemlji i ubraja se među najzastupljenije krute tvari na planetu. Budući da je voda ključna za život, a led ima značajnu ulogu u klimatskom sustavu Zemlje, znanstvenici su ga detaljno proučavali.
“Unatoč stalnom interesu i velikom broju podataka o ledu, nove faze i anomalna svojstva i dalje se otkrivaju, što sugerira da naše razumijevanje ovog sveprisutnog materijala nije potpuno”, pišu istraživači s Katalonskog instituta za nanotehnologiju i nanoznanost (ICN2) u svojoj novoj studiji.
Jedna stvar koju znamo o ledu u njegovom najčešćem obliku na Zemlji (heksagonalni led – Ih) jest da nije piezoelektričan. Piezoelektrični učinak je pojava kod koje određeni materijali, poput kristala i keramike, proizvode električnu energiju kada su izloženi mehaničkom stresu, primjerice pri udaru.
“Unatoč polaritetu pojedinih molekula vode, obični led Ih nije piezoelektričan zbog tzv. Bernal–Fowlerovih pravila: dva vodikova protona moraju biti uz svaki atom kisika, ali smije biti samo jedan proton između dva atoma kisika”, pojašnjava tim. “Kao rezultat toga, za razliku od kisikovih atoma koji su poredani u heksagonalnu rešetku, vodikovi atomi nemaju dugosežnu pravilnost, što rezultira nasumično orijentiranim dipolima vode i time izostankom makroskopske piezoelektričnosti.”
Ipak, poznato je da led u prirodi može proizvoditi električni naboj pod mehaničkim stresom, iako mehanizam do sada nije bio potpuno razjašnjen. Primjerice, znamo da sudari čestica leda mogu uzrokovati nakupljanje električnog naboja u oblacima, što može rezultirati pojavom munje.
Sada, nakon niza pokusa savijanjem leda i analizom rezultata, tim znanstvenika predlaže moguće objašnjenje.
Električni potencijal
“Tijekom istraživanja mjerili smo električni potencijal nastao savijanjem ploče leda. Konkretno, blok leda bio je postavljen između dvije metalne ploče i spojen na mjerni instrument”, izjavio je prof. Gustau Catalán, voditelj skupine za nanofiziku oksidnih materijala na Katalonskom institutu za nanotehnologiju i nanoznanost (ICN2). “Rezultati su se podudarali s onim što se opaža pri sudarima čestica leda u grmljavinskim oblacima.”
Prema navodima tima, takozvani fleksopiezolektrični efekt prisutan u ledu čini ga usporedivim s elektrokeramičkim materijalima poput titanijeva dioksida, koji se koristi u naprednim tehnologijama poput kondenzatora i senzora.
Još važnije, znanstvenici su pronašli novo moguće objašnjenje za način na koji se električni naboj može akumulirati u oblacima, što naposljetku može dovesti do nastanka munja.
“Utvrdili smo da led generira električni naboj kao odgovor na mehanički stres, i to u cijelom temperaturnom rasponu”, pojasnila je dr. Xin Wen, članica istraživačke skupine za nanofiziku oksidnih materijala na ICN2-u i jedna od glavnih autorica studije. “Osim toga, otkrili smo tanak feroelektrični sloj na površini leda pri temperaturama nižima od –113 °C (160 K). To znači da površina može razviti prirodnu električnu polarizaciju, koju je moguće obrnuti djelovanjem vanjskog električnog polja – na sličan način kao što se mijenjaju polovi magneta.”
“Površinska feroelektričnost samo po sebi je važno otkriće, jer to znači da led možda ima ne samo jedan, nego dva mehanizma za generiranje električne energije: feroelektričnost pri vrlo niskim temperaturama, te fleksopiezolektričnost pri višim temperaturama, sve do 0 °C.”
Tim planira nastaviti istraživanja ovog efekta, uključujući i mogućnost razvoja novih elektroničkih uređaja koji bi koristili led kao aktivni materijal, posebno u hladnim okolišima.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
