摘要：冰能发电？这并不是天方夜谈，看似魔幻的场景，真实发生在科学家的实验台上。只需对一枚“米粒高度、口香糖长短、含盐量25%”的小小冰锥施加应变，就能产生约1 mV电压；而当2000枚这样的冰锥排成阵列时，就能输出2 V电压，足以点亮一盏红色LED灯泡。
冰能发电？这并不是天方夜谈，看似魔幻的场景，真实发生在科学家的实验台上。只需对一枚“米粒高度、口香糖长短、含盐量25%”的小小冰锥施加应变，就能产生约1 mV电压；而当2000枚这样的冰锥排成阵列时，就能输出2 V电压，足以点亮一盏红色LED灯泡。
冰锥的挠曲电现象。图片来源：西班牙巴塞罗那自治大学 [1]
今年8月，西安交通大学申胜平教授、文馨博士与西班牙巴塞罗那自治大学Gustau Catalan教授等研究者合作在Nature Physics 杂志上发表论文 [2]，首次实测了冰的挠曲电（flexoelectricity）效应，其系数可与典型介电陶瓷（如TiO2和SrTiO3）相媲美。他们还发现，在约160 K时，冰的近表面区域会发生铁电相变，并提出雷暴中闪电的形成可能与冰的挠曲电效应有关。
Nature Materials 杂志2025年10月刊封面。图片来源：Nat. Mater.
紧接着，9月他们又在Nature Materials 杂志上报道了新成果 [3]。通过食盐（NaCl）掺杂，可将冰的挠曲电系数提升约1000倍，达到1-10 μC•m-1，并制备出有效压电系数高达~4000 pC•N-1的器件，为探索“冰能”开辟了新路径。值得一提的是，该文被选为10月刊的封面论文，同期Nature Materials 杂志还刊发了韩国浦项工科大学Daesu Lee教授的观点文章 [4]，指出这一研究或许有助于理解地球极地冰盖的电活动，以及木卫二、土卫二等冰封海洋星球上的神秘能量现象。
含盐冰在弯曲模式下的挠曲电响应。图片来源：Nat. Mater.
研究者通过将一层超纯水冻结在两块镀金铝电极之间，制备冰电容器。随后，利用动态力学分析仪施加振荡的三点弯曲形变。结果表明，诱导极化随交变应变梯度呈线性变化，体现出典型的挠曲电特性，线性拟合斜率为1.65 nC•m-1。有趣的是，在143-273 K范围区间表现出不同的挠曲电系数，248 K以上，挠曲电效应随温度升高而增强，这来源于冰表面预熔的准液膜层；203-248 K区间内，挠曲电系数基本保持稳定，约1.14 ± 0.13 nC•m-1；203 K以下，挠曲电系数则显著变化，在约164.6 ± 1.7 K处达到峰值~7.6 nC•m-1。
用于测量冰挠曲电性能的实验装置。图片来源：Nat. Phys.
起初，研究者尝试以铁电相变来解释这种随温度变化的异常，但力学响应测试并未显示出任何结构相变迹象。于是，他们推测该挠曲电峰值或许仅源于冰表面的铁电相变。为验证这一假设，研究者比较了不同电极材料的结果：在Pt电极样品中，挠曲电系数峰值出现在158.9 ± 2.6 K，而在Al电极样品中几乎未观察到峰值。由于铂的功函数最高，可产生更强的极化场，这与更显著的挠曲电异常相吻合。进一步的DFT计算也证实了金属界面能的影响，从而支持了表面层铁电相变的微观机理。
表面层对增强挠曲电性的贡献。图片来源：Nat. Phys.
更为重要的是，这一发现与自然界的带电现象密切相关。在雷暴云中，上升的小冰晶与下降的霰粒子碰撞会引起电荷分离并最终导致闪电。研究计算的冰-霰碰撞过程中挠曲电荷密度与实验观测的电荷转移量高度一致，提示冰的挠曲电效应可能在雷暴起电和闪电生成过程中发挥重要作用。
冰晶等自然现象中的挠曲电效应。图片来源：Nat. Phys.
不过，纯冰的挠曲电系数仅为1-10 nC•m-1，这一数值虽然足以影响某些自然现象，但对于机电器件应用而言仍然太小。要让冰像水一样成为潜在能源，首要任务就是找到有效提升挠曲电系数的途径。既然预熔的准液层能够增强挠曲电效应，那么向冰中掺杂NaCl或许会进一步放大这一作用。
含盐冰的挠曲电机制。图片来源：Nat. Mater.
实验结果显示，随着盐度增加，挠曲电系数显著提升，在NaCl含量为25 wt%时达到约3 μC•m-1，比无盐冰高出三千倍，比纯NaCl高出一百万倍。这种增强既不能归因于NaCl本身，也不能归因于冰晶格畸变，因为NaCl在块体冰中的溶解度极低。研究者推测，掺盐使晶界通道扩展成贯穿网络，晶粒尺寸减小带来更多晶界，液体层厚度的增加拓宽了通道；同时，NaCl的加入打破了冰中的氢键结构，促进纳米限域水分子的平移与旋转运动，降低粘度、提升介电常数。由此，扩展的传输网络、更高的流动性和更强的极化能力，共同造就了盐冰中挠曲电性的增强。
盐浓度对冰挠曲电性影响。图片来源：Nat. Mater.
当温度降低到−60至−70 °C时，挠曲电系数逐渐减小并接近纯冰水平，说明预熔层逐渐冻结、晶界网络失效，系统重新回到由介电型挠曲电性主导的状态。如果进一步减薄样品，例如厚度0.68 mm的冰片，有效压电系数可高达~4000 pC N-1，甚至超过目前性能最强的含铅压电陶瓷。这种机电耦合特性为在寒冷环境中制造低成本传感器和能量收集器件提供了可能。通过进一步减小晶粒尺寸、利用酸碱掺杂调控界面电势、采用微结构设计放大应变梯度、借助机械共振增强效应，或可以进一步提升器件性能。
挠曲电系数随温度变化。图片来源：Nat. Mater.
含盐冰中的有效压电效应。图片来源：Nat. Mater.
文馨博士表示，“目前这一研究还处在早期阶段，要让含盐冰真正为电子设备供电，仍需巨大的体量，至少几十甚至上百平方米的冰块，才能为一部智能手机充电。”[4, 5] Daesu Lee教授在同期评论中也提到，仍有许多悬而未决的问题，“如果更换不同种类的盐、采用高价离子或酸碱溶液，信号会如何变化？能否利用快速X射线成像追踪盐水通道在反复弯曲过程中的生长与阻塞？”[4]
从实验室探索到现实应用，未来仍有许多挑战要跨越。然而，挠曲电效应并不只属于冰或低温世界。由于“预熔”现象在固体中普遍存在，在高温下失去压电性的陶瓷中同样可能展现类似效应；而在常温下，许多天然多孔固体中也充满液体网络，可以产生电学响应。这为将挠曲电效应与水能发电效应结合提供了新的思路：通过结构设计，有望实现更可控、更高效的能量收集与转化。
参考文献：
[1] Scientists find that ice generates electricity when bent
https://www.uab.cat/web/newsroom/news-detail/scientists-find-that-ice-generates-electricity-when-bent-1345830290613.html?detid=1345962889069
[2] X. Wen, Q. Ma, A. Mannino, M. Fernandez-Serra, S. Shen & G. Catalan. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nat. Phys. 2025, 21, 1587–1593. DOI: 10.1038/s41567-025-02995-6
[3] X. Wen, Q. Ma, J. Liu, U. Saeed, S. Shen & G. Catalan. Streaming flexoelectricity in saline ice. Nat. Mater. 2025, 24, 1533–1537. DOI: 10.1038/s41563-025-02332-5
[4] Salt can turn frozen water into a weak power source
[5] 《自然—材料》：申胜平教授团队发现盐冰中的挠曲流电效应
来源：X一MOL资讯
