Khi băng bị uốn cong có thể tạo ra năng lượng điện đáng kinh ngạc

Một nghiên cứu đột phá vừa công bố trên tạp chí Nature Physics đã hé lộ một bí mật kinh ngạc về băng: khi bị uốn cong, băng thông thường có khả năng tạo ra điện tích.

Phát hiện này không chỉ làm sáng tỏ cơ chế hình thành sét mà còn mở ra tiềm năng phát triển các công nghệ mới dựa trên băng ở những môi trường khắc nghiệt nhất.

Các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Nano Catalan (ICN2), Đại học Giao thông Tây An và Đại học Stony Brook đã chứng minh rằng băng sở hữu tính chất flexoelectric.

Điều này có nghĩa là băng có thể sản sinh điện tích dưới tác động của ứng suất cơ học không đồng đều, chẳng hạn như uốn cong hoặc xoắn. Tính chất từng bị bỏ qua này có thể là chìa khóa giải mã cách sét hình thành và truyền cảm hứng cho các ứng dụng công nghệ đột phá.

Trong khi hiện tượng áp điện yêu cầu vật liệu có cấu trúc tinh thể đặc biệt để phát ra điện tích khi bị nén đồng đều (như thạch anh), băng thông thường (băng Ih) lại không có tính chất này.

Tuy nhiên, hiệu ứng flexoelectric hoạt động dựa trên một nguyên tắc khác biệt. Khi một vật liệu bị uốn cong, ứng suất không còn đồng đều; một bên chịu nén và bên còn lại chịu kéo giãn.

Độ dốc ứng suất không đồng đều này có thể phân cực vật liệu thông qua hiện tượng flexoelectric. Điều quan trọng là hiệu ứng này không đòi hỏi sự sắp xếp nguyên tử gọn gàng và có thể xảy ra ở bất kỳ vật liệu nào, bao gồm cả băng.

Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã chế tạo "tụ điện băng" – những tấm băng mỏng tinh khiết được kẹp giữa các điện cực kim loại và uốn cong chúng bằng một thiết bị cơ học.

Kết quả cho thấy điện tích có thể đo được xuất hiện ở mọi nhiệt độ thử nghiệm, từ -130 °C đến nhiệt độ tan chảy của băng. Khám phá này cung cấp một lời giải thích khả thi cho một trong những bí ẩn lớn nhất của thời tiết: sự hình thành sét trong mây.

Từ lâu, các nhà khoa học đã biết rằng sự tích điện trong mây bắt nguồn từ sự va chạm giữa các tinh thể băng và các hạt mưa đá mềm (graupel). Khi những hạt này va chạm, chúng uốn cong và biến dạng.

Gradient ứng suất sinh ra có thể kích hoạt sự phân cực flexoelectric, tạo ra điện trường và thu hút các điện tích đến vị trí va chạm. Khi các hạt tách ra, một hạt giữ lại nhiều electron hơn, hạt kia ít hơn, dẫn đến sự phân tách điện tích và tạo ra điện trường khổng lồ cần thiết cho sét.

Ngoài việc làm sáng tỏ các hiện tượng tự nhiên, những phát hiện này còn mở ra triển vọng đáng kinh ngạc trong lĩnh vực công nghệ. Sức mạnh của hiệu ứng flexoelectric của băng ngang bằng với titan dioxit và stronti titanat – hai loại vật liệu gốm được sử dụng rộng rãi trong tụ điện và cảm biến.

Điều này mở ra khả năng sử dụng chính băng như một thành phần hoạt động trong các thiết bị điện tử tạm thời, chi phí thấp, được thiết kế để hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt như vùng cực hoặc vùng núi cao.

Giáo sư Gustau Catalán của ICREA, trưởng nhóm Vật lý nano oxit tại ICN2, nhận định: “Khám phá này có thể mở đường cho sự phát triển của các thiết bị điện tử mới sử dụng băng làm vật liệu hoạt động, có thể được chế tạo trực tiếp trong môi trường lạnh”.

Liệu các cảm biến nhúng trong sông băng hay các bề mặt thu năng lượng trên các vệ tinh đóng băng có thể trở thành hiện thực? Đây là một câu hỏi đầy hứa hẹn cho tương lai.