یک پژوهش تازه نشان داده است که یخ هنگام خم شدن، برق تولید میکند و این پدیده میتواند منشأ رعد و برق در ابرها را توضیح دهد.
به گزارش تکناک، یخ یکی از فراوانترین مواد جامد روی زمین است و به دلیل نقش حیاتی آب در زندگی و اهمیت یخ در اقلیم زمین، دانشمندان طی سالها تحقیقات گستردهای درباره آن انجام دادهاند. با وجود این، پژوهشگران «مؤسسه نانوعلم و نانوتکنولوژی کاتالونیا» (ICN2) در مقاله خود تأکید کردهاند که با وجود این حجم عظیم از دانش، همچنان فازهای جدید و ویژگیهای ناشناختهای از یخ کشف میشود که نشان میدهد درک ما از این ماده هنوز کامل نیست.
یکی از دانستههای قطعی در مورد یخ در رایجترین شکل آن روی زمین (یخ ششضلعی Ih) این است که خاصیت پیزوالکتریک ندارد. پیزوالکتریسیته پدیدهای است که طی آن برخی مواد مانند بلورها و سرامیکها در اثر اعمال فشار مکانیکی – مانند برخورد – الکتریسیته تولید میکنند.
با وجود قطبیت طبیعی مولکولهای آب، قوانین موسوم به «برنال–فاولر» مانع از ایجاد نظم بلندمدت در پیوندهای هیدروژنی یخ میشود. این قوانین ایجاب میکنند که هر اتم اکسیژن به دو پروتون هیدروژن متصل باشد و تنها یک پروتون هیدروژن میان هر دو اتم اکسیژن قرار گیرد. نتیجه این فرایند، عدم وجود نظم گسترده در موقعیت هیدروژنها و در نهایت عدم وجود پیزوالکتریسیته در مقیاس ماکروسکوپی است.
با وجود این، بارها در طبیعت مشاهده شده است که یخ در اثر فشار مکانیکی میتواند الکتریسیته تولید کند. برای نمونه، برخورد ذرات یخ در ابرها باعث تجمع بار میشود که در نهایت به صورت رعد و برق تخلیه میگردد. اما تاکنون سازوکار دقیق این پدیده بهطور کامل شناخته نشده بود. تیم پژوهشی ICN2 با مجموعهای از آزمایشها که شامل خم کردن قطعات یخ و بررسی نتایج بود، پاسخی تازه برای این مسئله ارائه کرده است.
گوستاو کاتالان، استاد ICREA و سرپرست گروه «نانوفیزیک اکسید» در ICN2، در این زمینه توضیح داد:
«در طول تحقیق، پتانسیل الکتریکی ناشی از خم کردن یک قطعه یخ اندازهگیری شد. برای این کار بلوک یخ میان دو صفحه فلزی قرار گرفت و به یک دستگاه اندازهگیری متصل شد. نتایج دقیقاً با بارهایی مطابقت داشت که پیشتر در اثر برخورد ذرات یخ در طوفانهای تندری مشاهده شده بود.»
به گفته این تیم، اثر «فلکسوالکتریک» در یخ آن را در ردیف مواد الکتروسرامیکی مانند دیاکسید تیتانیوم قرار میدهد، که در فناوریهای پیشرفتهای مانند: خازنها و حسگرها استفاده میشوند. مهمتر از این، کشف جدید توضیح تازهای درباره چگونگی تجمع بار در ابرها و در نهایت شکلگیری رعد و برق ارائه میکند.
شین ون، عضو گروه نانوفیزیک اکسید در ICN2 و از پژوهشگران اصلی این پروژه گفت: «ما کشف کردیم که یخ در تمام دماها در برابر فشار مکانیکی بار الکتریکی تولید میکند. علاوه بر این، در سطح یخ، لایهای بسیار نازک با خاصیت فروالکتریک در دماهای زیر ۱۱۳- درجه سانتیگراد تشکیل میشود. به این معنی که سطح یخ میتواند قطبش طبیعی ایجاد کند که در حضور یک میدان الکتریکی خارجی قابل معکوس شدن است؛ که درست مشابه تغییر قطبهای یک آهنربا میباشد.»
وی تصریح کرد: «کشف خاصیت فروالکتریسیته در سطح یخ بهخودیخود یافته شگفتانگیزی است، چرا که نشان میدهد یخ نه تنها یک راه بلکه دو راه برای تولید برق دارد، که فروالکتریسیته در دماهای بسیار پایین و فلکسوالکتریسیته در دماهای بالاتر تا صفر درجه سانتیگراد است.»
این تیم پژوهشی اعلام کرده است که تحقیقات بیشتری انجام خواهد داد تا بررسی کند که آیا میتوان از یخ به عنوان مادهای فعال در ساخت دستگاههای الکترونیکی مخصوص محیطهای بسیار سرد استفاده کرد یا خیر.
