你可能很難想象，掰彎一塊普普通通的冰竟然可以發(fā)電，而這可能已正好驅(qū)散了物理學(xué)的一片“烏云”，那個困擾人類和無數(shù)科學(xué)天才幾千年的古老謎題：閃電究竟是如何形成的？

就在剛剛（8月27日），這篇發(fā)表在權(quán)威期刊《自然-物理學(xué)》上的研究，徹底顛覆了我們對冰的認(rèn)知。由西班牙、中國（西安交通大學(xué)）和美國科學(xué)家組成的團(tuán)隊通過無可辯駁的實驗證明：我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷谋▽W(xué)名Ih冰），竟隱藏著一種驚人的“超能力”——撓曲電性（flexoelectricity）。

這意味著，當(dāng)冰塊被彎曲、扭轉(zhuǎn)或受到不均勻的壓力時，它就能產(chǎn)生電荷！

誰能想到，我們司空見慣的冰塊，竟然是一位深藏不露的“電系法師”。

◆ 01 一個古老的科學(xué)謎案：雷電到底從哪兒來？

要理解這個發(fā)現(xiàn)有多重要，我們得先回到一個困擾了富蘭克林等無數(shù)科學(xué)天才的古老謎題：雷暴云里那毀天滅地的電，究竟是從哪兒來的？

我們早就知道，雷電的產(chǎn)生與云層中大量的冰晶顆粒有關(guān)。但問題來了，單個水分子雖然有正負(fù)兩極（是極性分子），可一旦它們手拉手結(jié)成冰，由于特殊的晶體結(jié)構(gòu)（遵循所謂的“伯納爾-福勒”規(guī)則），這些小分子的極性方向就變得亂七八糟，正負(fù)電荷在宏觀上完全抵消了。

這就導(dǎo)致了一個尷尬的結(jié)論：冰，不是一種“壓電材料”。

“壓電性”就像打火機(jī)里的那種晶體，你一按（施加均勻壓力），它就產(chǎn)生電壓。既然冰沒有這個特性，那雷暴云里冰晶碰撞產(chǎn)生的巨大電荷，豈不成了無源之水？這個問題，就像是物理學(xué)天空中的一朵“烏云”，遲遲無法散去。因為此前冰如何帶電的理論眾多，但都存在一些無法解釋的疑點。

◆ 02 掰彎它，而不是按壓它！柳暗花明的時刻

面對這個世紀(jì)難題，科學(xué)家們換了個思路。

既然均勻按壓不行，那不均勻的力呢？比如，把它掰彎？

這就是“撓曲電效應(yīng)”的核心思想：幾乎所有材料，無論其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多么對稱，只要你讓它發(fā)生彎曲，就會在彎曲的內(nèi)側(cè)和外側(cè)產(chǎn)生電荷分離，從而產(chǎn)生電壓。

壓電性好比你一拳打在墻上（均勻受力），而撓曲電性則像是你把一根尺子掰彎（受力不均）。前者要求苛刻，后者幾乎是“陽光普照獎”。

為了驗證冰到底有沒有這種能力，研究團(tuán)隊設(shè)計了一個極其精妙的實驗：

他們先用超純水在兩個金屬電極之間凍結(jié)成一個薄薄的冰板，做成了一個“冰電容器”。

然后，用一臺高精度的動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA），對這塊冰板施加一個精確的、周期性的三點彎曲力，反復(fù)把它掰彎。

同時，他們用示波器等設(shè)備，同步監(jiān)測冰的彎曲程度和電極上感應(yīng)到的微弱電荷。

結(jié)果出來了！實驗數(shù)據(jù)完美地顯示，產(chǎn)生的電荷與冰的彎曲程度（應(yīng)變梯度）成正比。這是撓曲電效應(yīng)的鐵證！

而且，測得的撓曲電系數(shù)還不低，竟然和一些先進(jìn)的陶瓷材料（如二氧化鈦或鈦酸鍶）處于同一水平，這些可是制造高科技傳感器和電容器的明星材料！

更有趣的是，實驗還有一個“買一送一”的驚喜：在約-113℃的極低溫下，冰的表面薄薄一層（“表皮層”）竟然還表現(xiàn)出了“鐵電性”——也就是說它能像小磁鐵一樣擁有可以被電場翻轉(zhuǎn)的電極。

◆ 03 閃電的誕生，源于冰晶的一次次掰彎

如果說在實驗室里掰彎冰塊能發(fā)電只是個有趣的發(fā)現(xiàn)，那么將它應(yīng)用到雷暴云中，就是真正的石破天驚了。

想象一下雷暴云內(nèi)部的狂暴景象：無數(shù)的小冰晶和被稱為“霰”的大冰粒，在強烈的上升和下降氣流中瘋狂地碰撞、摩擦。

每一次碰撞，都必然導(dǎo)致冰粒表面發(fā)生劇烈的、不均勻的形變——也就是彎曲。

研究團(tuán)隊立刻將他們測得的撓曲電數(shù)據(jù)代入一個理論模型，計算在這種典型的“冰-霰”碰撞中，能產(chǎn)生多少電荷。

結(jié)果令人瞠目結(jié)舌：理論計算出的電荷轉(zhuǎn)移量，與過去幾十年里，全世界科學(xué)家在實驗室里模擬云內(nèi)碰撞測得的實驗數(shù)據(jù)，驚人地吻合！

一道閃電的誕生，或許就源于無數(shù)冰晶在碰撞瞬間，那一次次微不足道的掰彎。

更進(jìn)一步說，這個理論的核心貢獻(xiàn)在于解釋了雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的溫度反轉(zhuǎn)之謎。實驗證實，在冰點附近，冰的撓曲電效應(yīng)的正負(fù)號會隨溫度升高而反轉(zhuǎn)。正是這一根本性的物理反轉(zhuǎn)，主導(dǎo)了云內(nèi)“正-負(fù)-正”三極結(jié)構(gòu)的形成，這也可能正是后續(xù)所有閃電現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)和根本原因。

當(dāng)然，科學(xué)家們也坦言：他們并不聲稱完全解決了長期存在的冰起電問題，撓曲電性并不排除其他起電機(jī)制的存在，甚至可能與它們相互作用 。自然界的雷暴是一個極其復(fù)雜的過程，很可能是多種機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。

所以，下次當(dāng)你用吸管吹著喝干的肯德基可樂里的冰塊，或者看到冬日的霜雪時，你可能要深刻思考一下了，你眼前的并非只是一團(tuán)固態(tài)的水。它是一種“機(jī)電活性材料”，是潛在的低成本傳感器，更可能是大自然中雷電偉力的微觀來源。

參考文獻(xiàn)：

Wen, X., Ma, Q., Mannino, A., Fernandez-Serra, M., Shen, S., & Catalan, G. (2025). Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nature Physics.