用冰發(fā)電

尋找可再生、可持續(xù)且低成本的能源，是當(dāng)今社會(huì)最緊迫的挑戰(zhàn)之一。自古以來(lái)，人類(lèi)不斷嘗試從地球上最常見(jiàn)的物質(zhì)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?yàn)楸炔幌窳魉菢泳哂芯薮蟮膭?dòng)能，也不具備壓電性（無(wú)法在壓力下發(fā)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(kāi)發(fā)。不久前，西安交通大學(xué)的科學(xué)家與合作者在《自然·物理》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，表明冰在彎曲時(shí)可以通過(guò)撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生電能。但可惜的是，純冰的撓曲電系數(shù)僅為1~10nC/m，這一數(shù)值雖然足以影響某些自然現(xiàn)象，卻遠(yuǎn)不足以支持機(jī)電器件的應(yīng)用。

不過(guò)，在最新發(fā)表于《自然·材料》的研究中，這一團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只需在冰中加入氯化鈉（NaCl），就能讓冰的撓曲電系數(shù)提升三個(gè)數(shù)量級(jí)。這一發(fā)現(xiàn)讓我們離“冰能發(fā)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(yīng)指的是非均勻機(jī)械應(yīng)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(guò)去，科學(xué)家為了能顯著提升撓曲電效應(yīng)，將目光集中在特殊氧化物、復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)或軟聚合物上。雖然有所進(jìn)展，但提升幅度有限。

而最新研究的突破點(diǎn)在于一種最簡(jiǎn)單的材料——冰。研究人員發(fā)現(xiàn)，加入日常食鹽后形成的“鹽冰”，在彎曲時(shí)表現(xiàn)出與高性能壓電材料相當(dāng)?shù)膿锨娦?yīng)。研究人員將這種撓曲電效應(yīng)的增強(qiáng)，歸因于“撓曲流電效應(yīng)”。

冰川學(xué)家早已知道，在0°C以下，摻鹽的冰晶粒周?chē)鷷?huì)形成只有幾納米厚的鹽水薄層，這些薄層交織成復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)冰板彎曲時(shí)，靜水壓力會(huì)把鹽水從受壓的內(nèi)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(zhuǎn)。

當(dāng)冰板向上彎曲時(shí)（上圖），靜水壓力會(huì)將晶界中的鹽水從受壓的內(nèi)側(cè)推向受拉的外側(cè)（紅色箭頭）。在流動(dòng)過(guò)程中，陽(yáng)離子（+）與陰離子（-）分離，在冰壁上留下相反的表面電荷。由此產(chǎn)生的電壓驅(qū)動(dòng)電子（e?）通過(guò)外部電路。當(dāng)冰板反向彎曲時(shí)（下圖），鹽水流動(dòng)方向、離子分布及外部電流的方向均發(fā)生逆轉(zhuǎn)。（圖/X. Wen et al. / Nature Materials）

這種由壓力驅(qū)動(dòng)的離子流會(huì)形成流動(dòng)電流：離子的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)了固定在冰壁上的表面電荷，導(dǎo)致凈電荷失衡，從而在冰板兩側(cè)形成電壓。由于這里的撓曲電信號(hào)源于流動(dòng)電流，因此研究人員將這一現(xiàn)象稱(chēng)為撓曲流電效應(yīng)。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)，撓曲電系數(shù)會(huì)隨著鹽水層增厚、晶粒變細(xì)、鹽水黏度降低而增大，而這些條件都會(huì)隨著鹽含量的提升而得到滿(mǎn)足。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：鹽冰的電學(xué)性能

在實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jié)構(gòu)。且實(shí)驗(yàn)表明，隨著鹽分的增加，晶粒會(huì)越來(lái)越小：純冰的平均晶粒大小大約是91微米，而在鹽分高達(dá)25%的鹽冰中，晶粒已經(jīng)縮小到4微米左右。

為了測(cè)量鹽冰的電性能，研究人員在合適的溫度條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。由于于氯化鈉–冰系統(tǒng)在?21.1°C以上會(huì)變成“半冰半水”的狀態(tài)，因此所有測(cè)試都是在?22℃ ~ ?100°C的范圍內(nèi)進(jìn)行的。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果與預(yù)測(cè)吻合：在氯化鈉濃度為25%、測(cè)試溫度?22°C的樣品中，撓曲電系數(shù)達(dá)到約3μC/m，比純冰高出約1000倍，接近工程化撓曲電復(fù)合材料的水平。

冰做的發(fā)電器件

在進(jìn)一步的研究中，研究人員把“會(huì)發(fā)電的鹽冰”，轉(zhuǎn)化成了真正的發(fā)電器件。他們將鹽水凍結(jié)成兩種形狀：一種是截錐體，另一種是細(xì)長(zhǎng)的彎曲冰梁。

截錐體（上）和細(xì)長(zhǎng)的彎曲冰梁（下）在被擠壓時(shí)產(chǎn)生電輸出。（圖/X. Wen et al. / Nature Materials）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，截錐體在擠壓時(shí)能產(chǎn)生電信號(hào)，而那根彎曲的冰梁表現(xiàn)更為驚人：僅0.7毫米厚的冰梁在彎曲時(shí)，就能輸出堪比目前最頂級(jí)的壓電材料所輸出的電信號(hào)。

更難得的是，它的制作過(guò)程極其簡(jiǎn)單：只需要把鹽和水混合，倒進(jìn)模具里冷凍起來(lái)即可。整個(gè)過(guò)程既不涉及稀缺原料，也不會(huì)產(chǎn)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(guò)加熱融化、重新混合、再次凍結(jié)，輕松實(shí)現(xiàn)回復(fù)如新。

潛在應(yīng)用與未來(lái)展望

研究人員表示，未來(lái)，這種“鹽冰發(fā)電機(jī)”有望應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景。例如，它們?yōu)樵诤錁O地制造低成本的傳感器和能量采集裝置提供了可能。

不過(guò)，這一突破也仍然面臨一些挑戰(zhàn)：在使用一段時(shí)間后（約10?次），其性能會(huì)出現(xiàn)衰減，整體輸出將會(huì)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(jié)，這種撓曲電效應(yīng)就會(huì)消失。這限制了它在深空的應(yīng)用。

但值得一提的是，這種“撓曲流電效應(yīng)”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(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。如果能加以利用，人類(lèi)就能在更多環(huán)境里收集能量。

這項(xiàng)研究讓我們看到，原本再普通不過(guò)的冰，通過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)鹽的調(diào)配，就能變成高性能的“發(fā)電機(jī)”。這提醒我們：巨大的科學(xué)突破，有時(shí)就隱藏在最尋常的角落。

#參考來(lái)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(lái)源：

封面圖&首圖：Joy Ru / Unsplash