盡管地球表面約有10%被冰雪覆蓋，但冰的“能量潛力”長期被忽視。傳統(tǒng)意義上，冰不像流水那樣蘊(yùn)含巨大動(dòng)能，也不是天然壓電體，在機(jī)械應(yīng)變下幾乎不會(huì)產(chǎn)生可用電流。這意味著，人們雖能從水滴、蒸發(fā)、濕氣中發(fā)電，卻很難從固態(tài)冰中獲取能量。然而，冰并非完全“沉默”：它在非均勻彎曲時(shí)會(huì)出現(xiàn)所謂的彎電效應(yīng)，即彎曲產(chǎn)生電極化。遺憾的是，這種效應(yīng)在純凈冰中極其微弱（系數(shù)僅1–10 nC m?1），遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)或傳感器。如何突破這一限制，一直是科學(xué)界面臨的難題。

近日， 西安交通大學(xué)文馨、申勝平教授聯(lián)合巴塞羅那納米科學(xué)技術(shù)研究所Gustau Catalan教授提出了全新思路：在冰中摻入鹽分（NaCl），顯著提升彎電效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，鹽冰的彎電系數(shù)竟能提升三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1–10 μC m?1！這一發(fā)現(xiàn)源于團(tuán)隊(duì)提出的“流動(dòng)彎電效應(yīng)（streaming flexoelectricity）”機(jī)制：彎曲時(shí)，冰晶粒界中的微液層發(fā)生離子流動(dòng)，形成電流?；诖?，他們還制備了性能媲美頂尖壓電陶瓷的冰基器件，為寒冷地區(qū)的低成本能量采集與傳感應(yīng)用打開了新大門。相關(guān)成果以“Streaming flexoelectricity in saline ice”為題發(fā)表在《Nature Materials》上，第一作者為文馨，Qianqian Ma為共同一作。

值得注意的是，西安交通大學(xué)文馨、申勝平教授聯(lián)合巴塞羅那納米科學(xué)技術(shù)研究所Gustau Catalan教授在8月27日首次測(cè)得冰的彎曲電效應(yīng)，其數(shù)值可與鈦酸鋇、鍶鈦礦等經(jīng)典電介陶瓷媲美。更令人驚訝的是，他們?cè)诩s160 K時(shí)觀察到冰表面發(fā)生鐵電相變（surface ferroelectricity），這意味著冰在極低溫度下能像鐵電體一樣保持極化。這一突破不僅拓展了對(duì)冰本身的物理認(rèn)知，也為自然界中的雷電起源提供了新的解釋。相關(guān)成果以“Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice”為題發(fā)表在《Nature Physics》上，文馨依然是一作兼通訊。

彎曲中的“暗流”：冰的流動(dòng)彎電效應(yīng)

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，NaCl 本身幾乎不具備彎電性（系數(shù)約10?3 nC m?1），因此簡(jiǎn)單摻鹽不可能提升性能。但實(shí)驗(yàn)卻顯示，鹽冰的彎電效應(yīng)提升了上千倍（圖1a–c）。研究人員通過顯微與拉曼分析發(fā)現(xiàn)：鹽分優(yōu)先聚集在冰的晶粒邊界（GB）處，這些邊界被一層“準(zhǔn)液體層”（QLL）潤濕，即使在低于冰點(diǎn)幾十度時(shí)仍保持流動(dòng)性。當(dāng)冰樣品被彎曲時(shí)，壓力差驅(qū)使QLL中的水分子和離子從受壓一側(cè)流向拉伸一側(cè)，這一流動(dòng)攜帶凈電荷，從而產(chǎn)生“流動(dòng)電流”。這種電動(dòng)效應(yīng)與經(jīng)典的電動(dòng)學(xué)“流動(dòng)電流（streaming current）”類似，只不過是由冰的彎曲觸發(fā)（圖1b、1c）。團(tuán)隊(duì)提出的“流動(dòng)彎電”模型成功解釋了這一現(xiàn)象：鹽分減少了冰晶粒的尺寸，增加了液體通道數(shù)量和厚度；同時(shí)，NaCl 打破部分氫鍵，提高了水分子的運(yùn)動(dòng)性，降低了粘度、增加了介電常數(shù)。多重因素共同作用，使得鹽冰的彎電效應(yīng)成百上千倍放大（圖2b）。

圖1：鹽冰流動(dòng)彎電效應(yīng)機(jī)理。彎曲時(shí)，晶粒邊界中的準(zhǔn)液體層流動(dòng)并攜帶電荷，形成電流

三個(gè)數(shù)量級(jí)的飛躍：性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)制備了不同鹽度（0–25 wt% NaCl）的冰電容器，并在低溫下進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試。結(jié)果顯示，隨著鹽度增加，彎電系數(shù) μ?ff?? 由純冰的約 1–10 nC m?1，快速攀升至 3 μC m?1（25 wt% NaCl），提升了整整三個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2a、2b）。相比之下，單純 NaCl 的彎電效應(yīng)幾乎可以忽略。這一巨大反差直接印證了流動(dòng)電流的核心作用。

圖2：鹽度提升帶來的彎電效應(yīng)增強(qiáng)。NaCl濃度增加，晶粒尺寸減小，彎電系數(shù)提升三數(shù)量級(jí)

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彎電效應(yīng)與頻率和溫度高度相關(guān)：頻率依賴性：在低頻下，液體有足夠時(shí)間穿過晶粒通道，電荷累積更多，因此效應(yīng)更強(qiáng)；而在高頻下，液體響應(yīng)不足，效應(yīng)減弱（圖3a）。這一“1/f”關(guān)系正是流動(dòng)電流的典型特征。溫度依賴性：隨著溫度降低，QLL逐漸凍結(jié)，晶粒邊界被堵塞，流動(dòng)通道消失。結(jié)果表明，當(dāng)溫度降至約?70°C以下，鹽冰的彎電效應(yīng)逐漸退化為傳統(tǒng)的介電彎電效應(yīng)（圖3b）。這些證據(jù)進(jìn)一步區(qū)分了“流動(dòng)彎電效應(yīng)”與普通彎電效應(yīng)的差異。

圖3：頻率與溫度依賴性。低頻和較高溫度下流動(dòng)彎電效應(yīng)明顯；溫度低于?70°C時(shí)效應(yīng)衰減

從冰到器件：鹽冰的壓電性能

如果鹽冰真的能提供如此強(qiáng)勁的電機(jī)械耦合，它能否轉(zhuǎn)化為實(shí)用器件？研究團(tuán)隊(duì)給出了肯定答案。他們?cè)O(shè)計(jì)了兩種典型結(jié)構(gòu)：截錐體與彎曲梁（圖4a、4b）。在壓縮或彎曲下，這些結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生巨大的有效壓電系數(shù)：截錐體樣品的 d?? 最高達(dá) 9 pC N?1（圖4c）；彎曲梁樣品的 d?? 更是飆升至 4000 pC N?1（圖4d），已超過現(xiàn)有最佳鉛基壓電陶瓷。盡管這種性能主要是“器件指標(biāo)”，而非材料本征屬性，但結(jié)果表明鹽冰完全可以在低成本條件下實(shí)現(xiàn)與頂尖壓電材料相媲美的效果。

圖4：鹽冰器件的有效壓電性能。截錐體與彎曲梁結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出媲美甚至超越傳統(tǒng)壓電陶瓷的電機(jī)械耦合

挑戰(zhàn)與未來應(yīng)用

當(dāng)然，鹽冰作為新型“能量材料”也存在挑戰(zhàn)。首先，它的穩(wěn)定性有限，機(jī)械加載10萬次后，彎電系數(shù)下降至初始值的20–40%，并伴隨明顯的蠕變。其次，盡管其 d?? 高，但輸出功率密度遠(yuǎn)低于商用壓電陶瓷 PZT（約低4個(gè)數(shù)量級(jí)）。這一問題與鹽冰較大的介電損耗有關(guān)。然而，鹽冰的優(yōu)勢(shì)同樣顯著：原料廉價(jià)無毒，制備過程極為簡(jiǎn)單，理論上可在極地或外星冰層中就地取材制備。研究人員認(rèn)為，這類材料不僅可作為寒冷地區(qū)的傳感器或能量收集裝置，還可能解釋自然界中冰川、行星冰殼的電活動(dòng)，甚至為探索木衛(wèi)二（Europa）等冰封星球上的生命起源提供線索。

結(jié)語與展望

這項(xiàng)研究首次揭示了冰中隱藏的“流動(dòng)彎電效應(yīng)”，通過鹽摻雜實(shí)現(xiàn)了彎電性能的千倍提升，并展示了其在能量收集與傳感器件中的潛力。未來，科研人員還計(jì)劃通過縮小晶粒、調(diào)節(jié)界面電勢(shì)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法進(jìn)一步提升效率。更令人期待的是，這一機(jī)制并非冰所獨(dú)有，它可能適用于更多“液體潤濕的多孔固體”，從骨骼到陶瓷，都有望通過這一思路被賦予新的電學(xué)功能?？梢哉f，冰雪世界不再只是靜默的風(fēng)景，它或許正在成為未來能源和材料科技的重要一環(huán)。

來源：高分子科學(xué)前沿

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，作者水平有限，如有不科學(xué)之處，請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚?/p>