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(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。盡管單個水分子具有極性，但受限于Bernal–Fowler規(guī)則，常壓下形成的普通冰（六方Ih相）在整體上呈非極性結(jié)構(gòu)，因此不具備壓電性，無法在受壓時產(chǎn)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電氣化現(xiàn)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。

近日，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院力化學(xué)耦合與智能介質(zhì)實驗室及合作者實驗發(fā)現(xiàn)了冰的撓曲電效應(yīng)（即應(yīng)變梯度誘發(fā)電極化），并借由該效應(yīng)對表面極化的高度敏感性，揭示了冰在約160K時發(fā)生的表面鐵電相變。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解冰的本征物性提供了新的視角，也為探索冰在自然電氣過程中的潛在作用開辟了新方向。相關(guān)成果以“Flexoelectricity and Surface Ferroelectricity of Water Ice”為題，發(fā)表在國際頂級期刊Nature Physics上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41567-025-02995-6

為研究冰的撓曲電效應(yīng)，研究人員制備了一種特殊的電容梁結(jié)構(gòu)（圖1）：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(qū)域內(nèi)不擴散，隨后在低溫下凍結(jié)形成冰梁。通過動態(tài)機械分析儀（DMA）對樣品施加三點彎曲變形，同時測量由應(yīng)變梯度誘發(fā)的電極化響應(yīng)，進而獲得冰的撓曲電系數(shù)。結(jié)果顯示，冰的撓曲電系數(shù)處于~nC/m量級，與典型氧化物陶瓷如SrTiO?和TiO?相當(dāng)。值得注意的是，隨著溫度下降，撓曲電響應(yīng)顯著增強并于160K附近形成峰值，隨后減弱，表明在此溫區(qū)存在額外的極化機制（圖2）。

圖 1. 樣品制備及撓曲電表征。a，兩片電極和水層組成電容結(jié)構(gòu)；b，對冰電容梁進行三點彎加載；c，示波器同步記錄位移和電荷；d，電極化與應(yīng)變梯度呈線性關(guān)系

圖 2. 撓曲電響應(yīng)與力學(xué)特性的溫度依賴性。a，撓曲電系數(shù)；b，位移與電荷相位關(guān)系；c，楊氏模量（左）和蠕變位移（右）

通過系統(tǒng)對比不同金屬電極（Au、Pt、Al）下的撓曲電響應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)峰值強度與電極功函數(shù)密切相關(guān)，表明該峰值源于界面誘導(dǎo)的極化增強（圖3）。結(jié)合第一性原理計算，研究揭示金屬電極能夠穩(wěn)定冰表面氫原子有序排列，顯著降低鐵電XI相的自由能，從而使Ih-XI相變的居里溫度點上移至實驗觀測到的~160K，對應(yīng)的表面鐵電層厚度估算為10-40nm（圖4）?；趯崪y撓曲電系數(shù)，研究團隊進一步建立了冰粒與霰粒在雷暴云中碰撞產(chǎn)生電荷的撓曲電模型（圖5）。計算結(jié)果顯示，單位碰撞在界面處產(chǎn)生的撓曲電極化電荷量與此前一系列風(fēng)洞實驗測量的電荷轉(zhuǎn)移量相當(dāng)，表明冰的撓曲電性可能在雷電起源過程中扮演了重要角色。

圖 3. 撓曲電響應(yīng)中的表面貢獻。a，表面極化貢獻機制圖示；b，不同電極條件下響應(yīng)對比；c，撓曲電系數(shù)與電極功函數(shù)關(guān)系；d，撓曲電系數(shù)隨預(yù)極化電場呈蝶形電滯回線

圖4. 金屬-冰界面第一性原理計算。a，冰XI–Au(111)和冰Ih–Au(111)界面結(jié)構(gòu)；b，電極界面作用降低冰XI相自由能，提升居里溫度點（紅藍曲線交叉點）；c，居里溫度點與鐵電皮膚層厚度關(guān)系

圖 5. 冰-霰碰撞充電中的撓曲電貢獻。a，典型碰撞過程及電荷分離示意圖；b，接觸界面附近的撓曲電極化；c，撓曲電極化電荷量（粉色帶區(qū)）與風(fēng)洞實驗實測電荷量吻合

這一發(fā)現(xiàn)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(zhì)”的研究范疇。除了在寒冷環(huán)境中原位制備低成本換能器的潛在應(yīng)用外，該研究對理解冰或類冰界面水參與的諸多自然現(xiàn)象亦具有深遠意義。正如審稿人所評述：“

This important measurement opens the door to exploration of the possible contributions of ice’s flexo and ferroelectricity to the charging of ice crystals in the clouds of Earth and other planets – a process poorly (if at all) understood yet central to atmospheric phenomena.

西安交通大學(xué)博士畢業(yè)生文馨（現(xiàn)為加泰羅尼亞納米科技研究所博士后）為論文第一作者；西安交通大學(xué)博士研究生馬謙謙、紐約州立大學(xué)石溪分校Marivi Fernandez Serra教授及博士研究生Anthony Mannino參與了論文的相關(guān)工作；文馨博士、西安交通大學(xué)申勝平教授、加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院/復(fù)雜服役環(huán)境重大裝備結(jié)構(gòu)強度與壽命全國重點實驗室為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委重大項目的資助。

來源：西安交大航天航空學(xué)院 西安交大力化學(xué)耦合與智能介質(zhì)實驗室