加入鹽，冰就可以發電！

用冰發電

尋找可再生、可持續且低成本的能源，是當今社會最緊迫的挑戰之一。自古以來，人類不斷嘗試從地球上最常見的物質之一——水中獲取能量。相比之下，人們幾乎很少試圖從冰中獲取能量，因為冰既不像流水那樣具有巨大的動能，也不具備壓電性（無法在壓力下發電）。

因此，盡管地球表面約有10%被冰覆蓋，但“冰能”至今尚未被開發。不久前，西安交通大學的科學家與合作者在《自然·物理》上發表了一項研究，表明冰在彎曲時可以通過撓曲電效應產生電能。但可惜的是，純冰的撓曲電系數僅為1~10nC/m，這一數值雖然足以影響某些自然現象，卻遠不足以支持機電器件的應用。

不過，在最新發表于《自然·材料》的研究中，這一團隊發現，只需在冰中加入氯化鈉（NaCl），就能讓冰的撓曲電系數提升三個數量級。這一發現讓我們離“冰能發電”的愿景更近了一步。

隱藏于所有固體中的秘密

撓曲電效應指的是非均勻機械應變與電極化之間的耦合，存在于所有固體中，但通常微弱到難以利用。過去，科學家為了能顯著提升撓曲電效應，將目光集中在特殊氧化物、復雜納米結構或軟聚合物上。雖然有所進展，但提升幅度有限。

而最新研究的突破點在于一種最簡單的材料——冰。研究人員發現，加入日常食鹽后形成的“鹽冰”，在彎曲時表現出與高性能壓電材料相當的撓曲電效應。研究人員將這種撓曲電效應的增強，歸因于“撓曲流電效應”。

冰川學家早已知道，在0°C以下，摻鹽的冰晶粒周圍會形成只有幾納米厚的鹽水薄層，這些薄層交織成復雜的流體網絡。當冰板彎曲時，靜水壓力會把鹽水從受壓的內表面推向受拉的外表面。反向的彎曲則讓鹽水倒流，離子分布隨之反轉。

當冰板向上彎曲時（上圖），靜水壓力會將晶界中的鹽水從受壓的內側推向受拉的外側（紅色箭頭）。在流動過程中，陽離子（+）與陰離子（-）分離，在冰壁上留下相反的表面電荷。由此產生的電壓驅動電子（e?）通過外部電路。當冰板反向彎曲時（下圖），鹽水流動方向、離子分布及外部電流的方向均發生逆轉。（圖/X. Wen et al. / Nature Materials）

這種由壓力驅動的離子流會形成流動電流：離子的運動速度超過了固定在冰壁上的表面電荷，導致凈電荷失衡，從而在冰板兩側形成電壓。由于這里的撓曲電信號源于流動電流，因此研究人員將這一現象稱為撓曲流電效應。

根據模型預測，撓曲電系數會隨著鹽水層增厚、晶粒變細、鹽水黏度降低而增大，而這些條件都會隨著鹽含量的提升而得到滿足。

實驗驗證：鹽冰的電學性能

在實驗中，研究人員制作了一系列“鹽冰電容器”。他們往冰里加了不同濃度的氯化鈉，從0%到25%不等。其中還包括了兩個熟悉的配比：0.9%的“生理鹽水”和3.5%的“海水”。

這些樣品都是由許多小晶粒組成的多晶結構。且實驗表明，隨著鹽分的增加，晶粒會越來越小：純冰的平均晶粒大小大約是91微米，而在鹽分高達25%的鹽冰中，晶粒已經縮小到4微米左右。

為了測量鹽冰的電性能，研究人員在合適的溫度條件下進行了試驗。由于于氯化鈉–冰系統在?21.1°C以上會變成“半冰半水”的狀態，因此所有測試都是在?22℃ ~ ?100°C的范圍內進行的。

實驗測得的結果與預測吻合：在氯化鈉濃度為25%、測試溫度?22°C的樣品中，撓曲電系數達到約3μC/m，比純冰高出約1000倍，接近工程化撓曲電復合材料的水平。

冰做的發電器件

在進一步的研究中，研究人員把“會發電的鹽冰”，轉化成了真正的發電器件。他們將鹽水凍結成兩種形狀：一種是截錐體，另一種是細長的彎曲冰梁。

截錐體（上）和細長的彎曲冰梁（下）在被擠壓時產生電輸出。（圖/X. Wen et al. / Nature Materials）

實驗結果顯示，截錐體在擠壓時能產生電信號，而那根彎曲的冰梁表現更為驚人：僅0.7毫米厚的冰梁在彎曲時，就能輸出堪比目前最頂級的壓電材料所輸出的電信號。

更難得的是，它的制作過程極其簡單：只需要把鹽和水混合，倒進模具里冷凍起來即可。整個過程既不涉及稀缺原料，也不會產生有害廢料，成本也非常低。

而且，如果器件破裂了，還可以通過加熱融化、重新混合、再次凍結，輕松實現回復如新。

潛在應用與未來展望

研究人員表示，未來，這種“鹽冰發電機”有望應用于多個場景。例如，它們為在寒冷極地制造低成本的傳感器和能量采集裝置提供了可能。

不過，這一突破也仍然面臨一些挑戰：在使用一段時間后（約10?次），其性能會出現衰減，整體輸出將會將至原本的1/4。此外，溫度是最大的限制：一旦鹽水層在低于?70°C的溫度下凍結，這種撓曲電效應就會消失。這限制了它在深空的應用。

但值得一提的是，這種“撓曲流電效應”并不僅限于冰。在高溫陶瓷、骨骼等許多含液體的多孔材料中，也可能出現類似現象。如果能加以利用，人類就能在更多環境里收集能量。

這項研究讓我們看到，原本再普通不過的冰，通過一點點鹽的調配，就能變成高性能的“發電機”。這提醒我們：巨大的科學突破，有時就隱藏在最尋常的角落。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02332-5

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02328-1

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Joy Ru / Unsplash