北京
搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第137期，對話西安交通大學航天航空學院院長申勝平教授。
嘉賓簡介：
申勝平，西安交通大學航天航空學院院長、教授，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者。研究領域為智能材料和智能結構、力化學耦合理論與應用。
冰這一天然固體，不僅可以作為電活性材料應用于器件研發，也為我們深入理解特定的自然現象提供新視角。
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，摻雜后冰的撓曲電系數顯著增強。
冰基器件儲量豐富、清潔、低成本，而且可以就地取材并進行自修復。
未來，冰的撓曲電效應或許能應用于極端低溫環境下的能量收集和環境監測傳感。
出品｜搜狐科技
作者｜周錦童
編輯｜楊 錦
山間流動的冰川、冬日結冰的路面、飲料杯中叮當作響的冰塊……
在我們的印象中，“冰”通常是寒冷的、堅硬的、絕緣的。我們似乎很少從冰中獲取能量，因為冰既不像水那樣具有巨大的動能，也不具備壓電性（不能在壓力作用下發電）。
然而，最近西安交通大學申勝平團隊在《自然·物理》上發表的一項研究成果，卻改變了這一想法。
研究表明，冰在彎曲時可以通過撓曲電效應產生電能。隨后，他們又在《自然·材料》上揭示了另一項突破，向冰中摻雜鹽，可以使撓曲電系數提升約三個量級，遠超純冰。
針對上述的兩項研究成果，搜狐科技對話了申勝平教授，聽他講述冰是如何發電的，以及該項研究的意義和未來冰能的應用場景。
申勝平團隊合影 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，保有一顆對習以為常不斷發問的好奇心。再加一點運氣，也許就可以于無聲處聽驚雷，于尋常處見非常。”
申勝平所帶領的團隊最初對冰撓曲電效應的研究，就源于一次尋常實驗的“小插曲”。
理論上說，任何絕緣體都具備撓曲電效應（材料在受到應變梯度作用時，內部產生電極化的現象），這也在多種材料體系中得到了實驗證實，但由于水冰體系過于日常，反而長期被忽視了。
直到2020年，在進行一個實驗課題時，團隊學生意外觀察到樣品在零點以下的時候，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冰帶來的影響，后來確認這個噪聲是由于儀器靈敏度設置不當導致的。”
申勝平談到，恰恰因為這次“錯誤”的實驗操作和被“誤導”的歸因分析，才讓“冰”進入了他們的視野。
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”的結構以施加彎曲變形，并在上下表面貼附金屬電極來收集彎曲產生的電荷。
但因為冰在室溫下是液體，所以團隊成員集思廣益設計了一種特殊的電容梁結構。他們先在室溫下構造了一個水電容梁，然后又冷凍形成冰電容梁。
“我們先將連接好導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，并在降溫過程中結冰，形成電極-冰-電極這樣一個‘三明治’結構的樣品。”申勝平比喻道。
而在較低的溫度下，他們還觀察到冰的一種特殊的極化現象。
隨著測試溫度下降，撓曲電響應顯著增強并在160K附近形成峰值，隨后減弱，表明在這個溫區存在額外的極化機制。
第一次在160K這個遠高于體相變溫度的點觀察到撓曲電系數峰值時，他們感到非常意外，甚至懷疑可能是實驗偽影。
在重復了多組獨立實驗后，他們發現這個峰很穩定地存在且所對應的溫度非常固定，并且峰值的大小有強烈的電極依賴性，種種跡象都表明，160K的溫度下有可能存在著一個真實的相變。
由此，他們開始了大量的調研和分析，最終將矛頭指向了金屬誘導的冰的表面鐵電相變。
這項研究有一個很重要的意義，那就是解釋雷雨云中閃電電荷是如何積聚的。
目前我們比較認可的雷暴電學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致的電荷轉移，但對碰撞帶電的具體機制還不完全清楚。
對此，團隊進一步基于冰的撓曲電效應建立了冰粒與霰粒在雷暴云中碰撞產生電荷的理論模型，計算了碰撞界面處由應變梯度產生的電極化，最終證明了撓曲電效應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
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”的研究范疇，它不僅可以作為電活性材料應用于器件研發，同時也為我們深入理解特定的自然現象提供了新視角。
他也坦言，現在還有許多問題沒有解決。比如，還不清楚冰撓曲電效應是否涉及質子沿氫鍵的躍遷；冰鐵電皮膚層的結構也還沒被直接觀測；此外，在雷暴充電的分析中，由于簡化處理，在實際中雜質、接觸相變、電荷種類等復雜因素會在多大程度上影響撓曲電的貢獻，也有待探索。
這項研究從開展實驗到被原則性接收，歷時整整五年，這期間，他們也遇到了大量的挑戰。
“我記得在實驗初期，冰樣品由于尺寸和結構設定的不合理，很容易一彎就斷；還有剛才提到的，如何理解低溫下出現的撓曲電峰值；如何將‘撓曲電可能參與雷云充電’這一設想，發展為深入、經得起推敲的理論研究都需要解決。”
后來團隊成員不斷地調研、思考、嘗試，逐個攻克了這些難題。用他的話說，“在這些時刻，耐心與韌性往往比靈感更可靠”。
值得一提的是，這項工作是申勝平教授和加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授聯合指導的，是一次非常成功的國際合作。具體實驗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石溪分校的Marivi Fernandez-Serra教授負責。
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很小（~nC/m量級），遠不足以支撐實際的力電轉換應用。而“摻雜”已經在其它材料體系中被證明是增強撓曲電的有效手段。
“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。”申勝平稱，他們很快得到了顯著增強的實驗結果，在做理論的過程中逐漸認識到固液界面、晶界輸運等關鍵作用。
除了氯化鈉，他們還嘗試摻雜氯化鈣、氯化鉀和醋酸鈉，所有測試結果都顯示，相比于純冰，有數個量級的撓曲電增強，其中氯化鈣最為顯著，撓曲電系數可以達到氯化鈉摻雜的兩倍多。
“當然，我們不認為目前測試的這幾種摻雜劑已經代表了可能的最優值，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。”
未來可在極端低溫環境甚至外星上收集能量
對純冰撓曲電效應的探究初步突破后，下一步，如何構建理論模型來理解實驗結果，成為最主要的技術挑戰。
“鹽冰體系乍一看簡單，但是細究起來非常復雜。從厘米級實驗樣品到納米級晶界，空間尺度跨越了七個數量級；涉及力學、電學和化學的耦合；其中關鍵的界面準液體層，結構以及各種特性至今仍然在爭論。”
整個團隊經過大量的努力，再加上在力-電-化耦合研究方面積累的多年經驗，最終將問題凝練為一個簡潔的解析公式，可以在不引入擬合參數的前提下，定性且定量復現實驗數據。
“我覺得這一吻合令人震撼，同時這也表明，看似復雜的科學問題，可能擁有一個簡單的內核。大自然偏愛簡潔，而科學家的使命，正是撥開重重迷霧找到它。”申勝平感嘆道。
在應用方面，團隊還制備了兩種冰基器件。通過梯形臺和薄曲梁這樣的結構設計，將均勻的壓力轉換為不均勻的變形，獲得的等效壓電系數可以媲美性能最優的壓電材料PMN-PT，這也為開發冰能提供了可能性。
“冰基器件的優勢在于儲量豐富、清潔、低成本，而且可以就地取材并進行自修復，不足之處就在于力學疲勞和電學損耗兩大難題，這也是后續要解決的問題。”
這里的力學疲勞是指，鹽冰晶界處的液體層使得晶界在載荷作用下不斷滑移，產生不可逆的塑性變形，導致收集到的電能經過三十個小時后減少將近一半；而電學損耗是指，由于自由流動的離子的存在，在單個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驗室 受訪者供圖
在申勝平看來，未來冰的撓曲電效應或許能應用于極端低溫環境下的能量收集和環境監測傳感等場景。
如果再大膽一點，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、隕石撞擊、地殼運動等自然力學行為轉換為電能，從而獲取可持續、可再生的能源。
例如在火星的極地地區，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象中扮演的作用，是一個很有吸引力的課題。
再比如，“冰衛星”木衛二被認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、潮汐力和構造活動時會產生電能，為生命提供潛在的能量來源，而冰的撓曲電效應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、隕石撞擊、地殼運動等能量轉換為電能的行為也可以用于寒冷地區環境監測的傳感器。”
談及未來研究方向，申勝平表示：“下一步會從兩個思路入手，一是設計冰撓曲電器件，以便在極端環境下為我們所用；二是借助冰撓曲電性重新審視特定的自然過程。”
運營編輯 |曹倩審核｜孟莎莎
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