Một nghiên cứu đột phá vừa được công bố trên tạp chí Nature Physics đã tiết lộ một bí mật kỳ diệu 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 băng 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 tự sinh ra điện tích dưới tác động của ứng suất cơ học không đồng đều, chẳng hạn như khi uốn cong hoặc xoắn. Tính chất tương tự này có thể mở ra những giải pháp cho việc tạo hình 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 đều (như thạch anh), băng thông thường 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 bị nén, trong khi bên còn lại bị kéo giãn.
Đặc biệt, 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 gần gũi và có thể xảy ra ở bất kỳ vật liệu nào, bao gồm cả băng.
Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã chế tạo “tấm điện băng” – những tấm băng mỏng 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 được 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 khúc chiết cho một trong những bí ẩn lớn nhất của thời tiết: sự hình thành băng trong mây.
Từ lâu, các nhà khoa học đã nhận 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, trong khi hạt kia giữ ít hơn, dẫn đến sự phân tách điện tích và tạo ra điện trường không lồ cần thiết cho băng.
Ngoài việc làm sáng tỏ các hiện tượng tự nhiên, 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 hàng với titan dioxit và stronti titanat – hai loại vật liệu thường được sử dụng trong tủ 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 việc phát triển các thiết bị điện từ 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 đỉnh vùng băng có thể trở thành hiện thực? Đây là một câu hỏi đầy hứa hẹn cho tương lai.
