5 دقیقه
یخ تولیدکنندهٔ برق: یک خاصیت الکترومکانیکی شگفت‌آور
یخ یکی از پراستفاده‌ترین ماده‌ها روی زمین است که مناطق قطبی، یخچال‌های کوهستانی و پوشش‌های برفی فصلی را می‌پوشاند. با وجود آشنایی‌مان با آن، کارهای آزمایشی جدید نشان میدهد که یخ بلوری معمولی میتواند هنگام خم شدن یا تغییر شکل نامتوازن، بار الکتریکی قابل‌اندازه‌گیری تولید کند. این پاسخ الکترومکانیکی که به آن فلکسوالکتریسیته گفته میشود، اخیراً توسط یک تیم پژوهشی بین‌المللی نشان داده شده و ممکن است پیامدهایی برای الکتریسیتهٔ جوّی و دستگاه‌های محیطهای سرد داشته باشد.
پیش‌زمینهٔ علمی: فلکسوالکتریسیته و فروالکتریسیته در یخ
فلکسوالکتریسیته ویژگی برخی مواد است که وقتی تحت کرنش مکانیکی ناهمگن قرار می‌گیرند (مثلاً هنگام خم شدن به‌جای فشرده‌شدن یکنواخت)، قطبش الکتریکی تولید میکند. بر خلاف پیزوالکتریسیته (تولید بار تحت کرنش یکنواخت)، فلکسوالکتریسیته وابسته به گرادیان کرنش است. تا کنون، یخ هگزاگونال معمولی (Ice Ih)، شکل متداول یخ در زمین، به‌عنوان ماده‌ای فلکسوالکتریک شناخته‌شده نبود.
مطالعهٔ جدید، با تلفیق آزمایش‌ها و تحلیل دقیق، دو اثر الکترومکانیکی متمایز را در یخ گزارش میکند. نخست، بار فلکسوالکتریک در بازهٔ دمایی گسترده تا 0 °C ظاهر میشود؛ یعنی خم شدن یا تغییر شکل نامساوی میتواند در یخ روزمره پتانسیل الکتریکی تولید کند. دوم، در دماهای بسیار پایین (پایین‌تر از حدود −113 °C یا 160 K) پژوهشگران لایهٔ سطحی نازکی با خواص فروالکتریک مشاهده کردند. فروالکتریسیته به‌معنای داشتن قطبش الکتریکی خودبه‌خودی و قابل‌برگشت است که با میدان الکتریکی خارجی میتوان آن را معکوس کرد. این دو یافته نشان میدهد که یخ بسته به دما میتواند از دو سازوکار مختلف سیگنال الکتریکی تولید کند: فروالکتریسیتهٔ سطحی در دماهای کریوژنیک و فلکسوالکتریسیتهٔ حجمی در دماهای زیرصفرِ بالاتر.
جزئیات آزمایش و یافته‌های اصلی
تیم پژوهشی — شامل دانشمندان ICN2 در Universitat Autònoma de Barcelona در کاتالونیا، دانشگاه Xi’an Jiaotong و دانشگاه Stony Brook — پتانسیل‌های الکتریکی تولیدشده هنگام خم شدن یا تغییر شکل ملایم ورق‌ها یا ذرات یخ را اندازهگیری کردند. در یک تنظیم آزمایشگاهی نمونه، یک بلوک یخ که بین صفحات هادی قرار گرفته بود تحت تنش مکانیکی قرار گرفت و ولتاژ حاصل ثبت شد. پتانسیل‌های اندازه‌گیری‌شده با نشانه‌هایی که پیش‌تر در آزمایش‌های برخورد ذرات ابری مشاهده شده بود مطابقت داشت، که ارتباط بین فلکسوالکتریسیتهٔ آزمایشگاهی و جداسازی بار در جوّ را تقویت میکند.
تحقیقات اصلی گزارش دادند که بار فلکسوالکتریک در تمام دماهای آزمایش‌شده ظاهر شد و لایهٔ فروالکتریک سطحی تنها در دماهای پایین‌تر از تقریباً 160 K پدید می‌آید. رفتار ترکیبی یخ را در رده‌ای مشابه با مواد الکتروسرامیکی (مانند برخی تیتانات‌ها) قرار میدهد که در حسگرها، محرک‌ها و خازن‌ها به‌کار می‌روند، هرچند کاربرد عملی یخ محدود به محیطهای طبیعی سرد یا سامانههای کریوژنیک خواهد بود.
ارتباط با رعدوبرق و صاعقه
یکی از پیامدهای جذاب این کشف، نقش احتمالی آن در تولید بار در ابرهای توفانی است. صاعقه نتیجهٔ اختلافپتانسیلهای بزرگی است که زمانی شکل می‌گیرد که ذرات ابری — اغلب کریستال‌های یخ و گراپل — در برخوردها بار ردوبدل می‌کنند. از آنجا که یخ معمولی پیزوالکتریک نیست، پژوهشگران به دنبال مکانیسم‌های جایگزین تولید بار بوده‌اند. فلکسوالکتریسیته مسیر معقولی ارائه میدهد: تغییرشکلهای نامنظم و خم شدن ذرات یخ در هنگام برخورد یا تعامل آیرودینامیکی میتواند بار خالصی تولید کند که در نواحی مختلف ابر تجمع یابد و به افزایش ولتاژهای بالایی که پیش از صاعقه رخ می‌دهند کمک کند.
پیامدها، کاربردهای بالقوه و گام‌های بعدی
در حالی که کاربردهای فناوریِ فوری هنوز فرضی‌اند، شناسایی خواص فلکسوالکتریک و فروالکتریک سطحی در یخ راه‌های تحقیقاتی جدیدی باز میکند. خطوط تحقیقاتی احتمالی عبارت‌اند از:
- بررسی سهم بارزایی فلکسوالکتریک در الکتریفیکاسیون واقعی طوفان‌ها از طریق مدل‌های ریزفیزیک ابر و اندازه‌گیری‌های میدانی.
- کاوش حسگرها یا اجزای الکترونیکی گذرای که از پاسخ الکترومکانیکی یخ برای پایش در محیطهای قطبی یا کریوژنیک بهره ببرند.
- مطالعهٔ تأثیر ناخالصیها، مرزهای دانه‌ای و گرادیان‌های دما بر اندازه و علامت بار فلکسوالکتریک در برف و یخ طبیعی.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که مهندسی دستگاه‌های عملی از یخ نیازمند شرایط سرد کنترلشده خواهد بود، اما خاطرنشان می‌کنند که سازوکارهای زیرین دامنهٔ مواد قابل‌استفاده برای عملکردهای الکترومکانیکی را گسترش میدهد.
دیدگاهِ کارشناسی
دکتر النا مارکز، یک فیزیکدان جوّی ساختگی با تجربه در الکتریفیکاسیون ابرها، چنین می‌گوید: "این نمایشِ ظریف نشان میدهد که مادهٔ معمولی‌ای مثل یخ میتواند رفتارهایی غیرمنتظره داشته باشد. فلکسوالکتریسیته یک فرایند ریزفیزیکی معقول برای تولید بار در ابرها فراهم می‌آورد؛ گام بعدی کمی‌سازی سهم آن در شرایط واقعی طوفان است. اگر بارزایی فلکسوالکتریک قابل‌توجه باشد، مدل‌های شروع صاعقه را اصلاح کرده و پیش‌بینی‌های خطر را بهبود می‌بخشد."
نتیجه‌گیری
کشف اینکه یخ معمولی فلکسوالکتریسیته نشان میدهد و در دماهای بسیار پایین لایهٔ فروالکتریک سطحی را پشتیبانی میکند، درک ما از یخ به‌عنوان ماده‌ای الکترومکانیکی را بازنگری میکند. این نتایج مکانیزم ممکنِ مؤثر در تولید صاعقه را روشن ساخته و دعوت به پژوهش‌های بیشتر در زمینه الکتریسیتهٔ جوّی و الکترونیک محیطهای سرد میکند. با نشان‌دادن اینکه یخ میتواند از طریق خم شدن و قطبش سطحی بار الکتریکی تولید کند، این مطالعه فیزیک حالت‌جامد بنیادی را به پدیده‌های طبیعی و احتمالی فناوری پیوند میدهد.
منبع: scitechdaily
نظرات