搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第137期，對話西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院院長申勝平教授。

嘉賓簡介：

申勝平，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院院長、教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年基金獲得者。研究領(lǐng)域?yàn)橹悄懿牧虾椭悄芙Y(jié)構(gòu)、力化學(xué)耦合理論與應(yīng)用。

• 冰這一天然固體，不僅可以作為電活性材料應(yīng)用于器件研發(fā)，也為我們深入理解特定的自然現(xiàn)象提供新視角。

• 鹽（氯化鈉）是摻雜劑的首選，它是人體血液以及地球海洋中含量最高的溶質(zhì)，摻雜后冰的撓曲電系數(shù)顯著增強(qiáng)。

• 冰基器件儲量豐富、清潔、低成本，而且可以就地取材并進(jìn)行自修復(fù)。

• 未來，冰的撓曲電效應(yīng)或許能應(yīng)用于極端低溫環(huán)境下的能量收集和環(huán)境監(jiān)測傳感。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

山間流動的冰川、冬日結(jié)冰的路面、飲料杯中叮當(dāng)作響的冰塊……

在我們的印象中，“冰”通常是寒冷的、堅(jiān)硬的、絕緣的。我們似乎很少從冰中獲取能量，因?yàn)楸炔幌袼菢泳哂芯薮蟮膭幽埽膊痪邆鋲弘娦裕ú荒茉趬毫ψ饔孟掳l(fā)電）。

然而，最近西安交通大學(xué)申勝平團(tuán)隊(duì)在《自然·物理》上發(fā)表的一項(xiàng)研究成果，卻改變了這一想法。

研究表明，冰在彎曲時(shí)可以通過撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生電能。隨后，他們又在《自然·材料》上揭示了另一項(xiàng)突破，向冰中摻雜鹽，可以使撓曲電系數(shù)提升約三個(gè)量級，遠(yuǎn)超純冰。

針對上述的兩項(xiàng)研究成果，搜狐科技對話了申勝平教授，聽他講述冰是如何發(fā)電的，以及該項(xiàng)研究的意義和未來冰能的應(yīng)用場景。

申勝平團(tuán)隊(duì)合影 受訪者供圖

“小插曲”開啟冰的研究

“科研工作者需要像孩童一樣凝視世界，保有一顆對習(xí)以為常不斷發(fā)問的好奇心。再加一點(diǎn)運(yùn)氣，也許就可以于無聲處聽驚雷，于尋常處見非常。”

申勝平所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)最初對冰撓曲電效應(yīng)的研究，就源于一次尋常實(shí)驗(yàn)的“小插曲”。

理論上說，任何絕緣體都具備撓曲電效應(yīng)（材料在受到應(yīng)變梯度作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象），這也在多種材料體系中得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但由于水冰體系過于日常，反而長期被忽視了。

直到2020年，在進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)課題時(shí)，團(tuán)隊(duì)學(xué)生意外觀察到樣品在零點(diǎn)以下的時(shí)候，信號會變得雜亂無章。“一開始我們懷疑是水汽在樣品表面結(jié)冰帶來的影響，后來確認(rèn)這個(gè)噪聲是由于儀器靈敏度設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致的。”

申勝平談到，恰恰因?yàn)檫@次“錯(cuò)誤”的實(shí)驗(yàn)操作和被“誤導(dǎo)”的歸因分析，才讓“冰”進(jìn)入了他們的視野。

對于一般的撓曲電測試樣品來說，研究人員通常會將材料做成“梁”的結(jié)構(gòu)以施加彎曲變形，并在上下表面貼附金屬電極來收集彎曲產(chǎn)生的電荷。

但因?yàn)楸谑覝叵率且后w，所以團(tuán)隊(duì)成員集思廣益設(shè)計(jì)了一種特殊的電容梁結(jié)構(gòu)。他們先在室溫下構(gòu)造了一個(gè)水電容梁，然后又冷凍形成冰電容梁。

“我們先將連接好導(dǎo)線的電極片上下平行地固定在溫度箱中，然后將水注入到兩片電極間的縫隙中。由于表面張力作用，水會被限定在電極縫隙中，并在降溫過程中結(jié)冰，形成電極-冰-電極這樣一個(gè)‘三明治’結(jié)構(gòu)的樣品?！鄙陝倨奖扔鞯馈?/p>

而在較低的溫度下，他們還觀察到冰的一種特殊的極化現(xiàn)象。

隨著測試溫度下降，撓曲電響應(yīng)顯著增強(qiáng)并在160K附近形成峰值，隨后減弱，表明在這個(gè)溫區(qū)存在額外的極化機(jī)制。

第一次在160K這個(gè)遠(yuǎn)高于體相變溫度的點(diǎn)觀察到撓曲電系數(shù)峰值時(shí)，他們感到非常意外，甚至懷疑可能是實(shí)驗(yàn)偽影。

在重復(fù)了多組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)后，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)峰很穩(wěn)定地存在且所對應(yīng)的溫度非常固定，并且峰值的大小有強(qiáng)烈的電極依賴性，種種跡象都表明，160K的溫度下有可能存在著一個(gè)真實(shí)的相變。

由此，他們開始了大量的調(diào)研和分析，最終將矛頭指向了金屬誘導(dǎo)的冰的表面鐵電相變。

這項(xiàng)研究有一個(gè)很重要的意義，那就是解釋雷雨云中閃電電荷是如何積聚的。

目前我們比較認(rèn)可的雷暴電學(xué)來源主要為下落的大霰粒和上升的小冰粒之間碰撞過程導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移，但對碰撞帶電的具體機(jī)制還不完全清楚。

對此，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于冰的撓曲電效應(yīng)建立了冰粒與霰粒在雷暴云中碰撞產(chǎn)生電荷的理論模型，計(jì)算了碰撞界面處由應(yīng)變梯度產(chǎn)生的電極化，最終證明了撓曲電效應(yīng)在雷暴云充電過程中扮演了不可忽視的角色。

“摻雜鹽分”提升冰的撓曲電系數(shù)

在申勝平看來，這次研究最重要的意義在于，首次把冰這一天然固體納入了“智能介質(zhì)”的研究范疇，它不僅可以作為電活性材料應(yīng)用于器件研發(fā)，同時(shí)也為我們深入理解特定的自然現(xiàn)象提供了新視角。

他也坦言，現(xiàn)在還有許多問題沒有解決。比如，還不清楚冰撓曲電效應(yīng)是否涉及質(zhì)子沿氫鍵的躍遷；冰鐵電皮膚層的結(jié)構(gòu)也還沒被直接觀測；此外，在雷暴充電的分析中，由于簡化處理，在實(shí)際中雜質(zhì)、接觸相變、電荷種類等復(fù)雜因素會在多大程度上影響撓曲電的貢獻(xiàn)，也有待探索。

這項(xiàng)研究從開展實(shí)驗(yàn)到被原則性接收，歷時(shí)整整五年，這期間，他們也遇到了大量的挑戰(zhàn)。

“我記得在實(shí)驗(yàn)初期，冰樣品由于尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)定的不合理，很容易一彎就斷；還有剛才提到的，如何理解低溫下出現(xiàn)的撓曲電峰值；如何將‘撓曲電可能參與雷云充電’這一設(shè)想，發(fā)展為深入、經(jīng)得起推敲的理論研究都需要解決。”

后來團(tuán)隊(duì)成員不斷地調(diào)研、思考、嘗試，逐個(gè)攻克了這些難題。用他的話說，“在這些時(shí)刻，耐心與韌性往往比靈感更可靠”。

值得一提的是，這項(xiàng)工作是申勝平教授和加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授聯(lián)合指導(dǎo)的，是一次非常成功的國際合作。具體實(shí)驗(yàn)工作由文馨博士和馬謙謙博士生完成，理論方面，文馨博士完成了雷電分析的理論部分，表面鐵電的第一性原理模擬，則由美國紐約州立大學(xué)石溪分校的Marivi Fernandez-Serra教授負(fù)責(zé)。

申勝平教授和文馨博士合影 受訪者供圖

在研究了純冰的撓曲電性后，研究鹽冰是順理成章的延伸。畢竟純冰的撓曲電系數(shù)很?。▇nC/m量級），遠(yuǎn)不足以支撐實(shí)際的力電轉(zhuǎn)換應(yīng)用。而“摻雜”已經(jīng)在其它材料體系中被證明是增強(qiáng)撓曲電的有效手段。

“至于摻雜劑的選擇，氯化鈉是首選，它是人體血液以及地球海洋中含量最高的溶質(zhì)?！鄙陝倨椒Q，他們很快得到了顯著增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在做理論的過程中逐漸認(rèn)識到固液界面、晶界輸運(yùn)等關(guān)鍵作用。

除了氯化鈉，他們還嘗試摻雜氯化鈣、氯化鉀和醋酸鈉，所有測試結(jié)果都顯示，相比于純冰，有數(shù)個(gè)量級的撓曲電增強(qiáng)，其中氯化鈣最為顯著，撓曲電系數(shù)可以達(dá)到氯化鈉摻雜的兩倍多。

“當(dāng)然，我們不認(rèn)為目前測試的這幾種摻雜劑已經(jīng)代表了可能的最優(yōu)值，水是天然的‘萬能溶劑’，這意味著摻雜的選擇空間幾乎是無限的?！?/p>

未來可在極端低溫環(huán)境甚至外星上收集能量

對純冰撓曲電效應(yīng)的探究初步突破后，下一步，如何構(gòu)建理論模型來理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成為最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“鹽冰體系乍一看簡單，但是細(xì)究起來非常復(fù)雜。從厘米級實(shí)驗(yàn)樣品到納米級晶界，空間尺度跨越了七個(gè)數(shù)量級；涉及力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)的耦合；其中關(guān)鍵的界面準(zhǔn)液體層，結(jié)構(gòu)以及各種特性至今仍然在爭論。”

整個(gè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的努力，再加上在力-電-化耦合研究方面積累的多年經(jīng)驗(yàn)，最終將問題凝練為一個(gè)簡潔的解析公式，可以在不引入擬合參數(shù)的前提下，定性且定量復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

“我覺得這一吻合令人震撼，同時(shí)這也表明，看似復(fù)雜的科學(xué)問題，可能擁有一個(gè)簡單的內(nèi)核。大自然偏愛簡潔，而科學(xué)家的使命，正是撥開重重迷霧找到它。”申勝平感嘆道。

在應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)還制備了兩種冰基器件。通過梯形臺和薄曲梁這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將均勻的壓力轉(zhuǎn)換為不均勻的變形，獲得的等效壓電系數(shù)可以媲美性能最優(yōu)的壓電材料PMN-PT，這也為開發(fā)冰能提供了可能性。

“冰基器件的優(yōu)勢在于儲量豐富、清潔、低成本，而且可以就地取材并進(jìn)行自修復(fù)，不足之處就在于力學(xué)疲勞和電學(xué)損耗兩大難題，這也是后續(xù)要解決的問題?！?/p>

這里的力學(xué)疲勞是指，鹽冰晶界處的液體層使得晶界在載荷作用下不斷滑移，產(chǎn)生不可逆的塑性變形，導(dǎo)致收集到的電能經(jīng)過三十個(gè)小時(shí)后減少將近一半；而電學(xué)損耗是指，由于自由流動的離子的存在，在單個(gè)鹽冰器件中較難積聚可觀的電壓。

申勝平教授和馬謙謙博士生在實(shí)驗(yàn)室 受訪者供圖

在申勝平看來，未來冰的撓曲電效應(yīng)或許能應(yīng)用于極端低溫環(huán)境下的能量收集和環(huán)境監(jiān)測傳感等場景。

如果再大膽一點(diǎn)，未來甚至可以在地外星球上就地取材，利用自然界中大量存在的冰，原位制備力電換能器，再將風(fēng)、隕石撞擊、地殼運(yùn)動等自然力學(xué)行為轉(zhuǎn)換為電能，從而獲取可持續(xù)、可再生的能源。

例如在火星的極地地區(qū)，溫度可低至163 K，研究冰與金屬礦物的接觸在火星兩極的帶電現(xiàn)象中扮演的作用，是一個(gè)很有吸引力的課題。

再比如，“冰衛(wèi)星”木衛(wèi)二被認(rèn)為是太陽系中最有可能孕育生命的天體之一，已有研究推測，冰殼在受到隕石撞擊、潮汐力和構(gòu)造活動時(shí)會產(chǎn)生電能，為生命提供潛在的能量來源，而冰的撓曲電效應(yīng)則為這種冰電能的來源提供了全新的視角。

“反之，通過冰基器件將風(fēng)、隕石撞擊、地殼運(yùn)動等能量轉(zhuǎn)換為電能的行為也可以用于寒冷地區(qū)環(huán)境監(jiān)測的傳感器?！?/p>

談及未來研究方向，申勝平表示：“下一步會從兩個(gè)思路入手，一是設(shè)計(jì)冰撓曲電器件，以便在極端環(huán)境下為我們所用；二是借助冰撓曲電性重新審視特定的自然過程。”

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