Gerilim Altındaki Buz Elektrik Üretiyor: Araştırmacılar Keşfetti

Buzla uğraşma! O strese girdiğinde ciddi şekilde elektriklenebilir.

Bilim insanları, sıradan buzun—yani soğuk kahvede veya dağların zirvesindeki kırağı şeklinde bulunan maddenin—olağanüstü elektromekanik özelliklerle dolu olduğunu keşfetti. Yayınlanan bir flexoelektrik, yani büküldüğünde, gerildiğinde veya büküldüğünde elektrik üretebilen buz, 27 Ağustos’ta Nature Physics dergisinde bir yazıya konu oldu. Dahası, buzun tuhaf elektriksel özellikleri sıcaklıkla değişiyor gibi görünüyor, bu da araştırmacıları başka ne tür sırlar saklayabileceğini merak etmeye yöneltti.

Bu makale “Buzu pasif bir malzeme olmaktan çıkarıp, hem temel hem de uygulama açısından uygun bir materyal olarak nasıl görüşümüzün değiştirdiğini” belirtiyor.
Xin Wen, çalışmanın baş yazarı ve İspanya’daki Institut Catala de Nanociencia i Nanotecnologia’da bir nanofizikçi olan bu durumu Gizmodo’ya bir epostayla bildirdi.

Moleküler kimyada soğuk bir vaka

Moleküler kimyada çözülmemiş bir gizem, buzun yapısının onu piezoelektrik olmaktan nasıl alıkoyduğudur. Piezoelektriklik, scientistlerin bir katıya uygulanan mekanik stresin onun toplam polaritesini yani elektrik dipol momentini değiştirdiğinde elektrik yükü üretme durumu olarak tanımladığı bir kavramdır.

Bir buz kristalini oluşturan su molekülleri polarize edilmiştir. Fakat bu tekil moleküller altıgen bir kristale dönüştüğünde, geometrik dizilim su moleküllerinin dipollerini rastgele konumlandırmaktadır. Sonuç olarak, nihai sistem herhangi bir piezoelektriklik üretemez.

Bununla birlikte, buzun doğal olarak elektrik üretmesi iyi bilinen bir durumdur, örneğin, şarj edilmiş buz parçacıklarının çarpışmasıyla gök gürültüsü oluşması gibi. Buz piezoelektrik değil gibi göründüğünden, bilim insanları buz parçacıklarının başlangıçta nasıl şarj olduğunu anlamakta zorlandılar.

Araştırmacılar makalelerinde, “Buz konusundaki devam eden ilgi ve geniş bilgi birikimine rağmen, yeni fazlar ve anormal özelliklerin keşfedilmeye devam ettiğini” belirterek, bu tatmin edici olmayan bilgi açığı, “bu her yerde bulunan malzeme hakkındaki anlayışımızın tamamlanmadığını” öne sürüyor.

Şaşırtıcı derecede basit bir çözüm

Neyse ki bilim, temel kavramları parçalara ayırmayı sever. Elektrik bir istisna değildir, bu nedenle araştırmacılar farklı “elektrik türlerini” incelemeye karar verdiler.

Geometri, buzun gözlemlenen elektriksel davranışını anlamanın önündeki en büyük engel olarak ortaya çıktı, bu nedenle ekip her türlü geometrik simetrinin mevcut olabileceği flexoelektrikliği seçti.

Deney için, iki elektrot arasında bir buz parçası yerleştirdiler ve aynı anda üretilen elektriğin piezoelektrik olmadığını doğruladılar. Heyecanla, buz parçasını bükmenin elektrik yükü oluşturduğunu ve bunun tüm sıcaklıklarda gerçekleştiğini gözlemlediler. Ancak, beklenmedik bir şekilde, -171.4 derece Fahrenheit (-113 derece Santigrat) altında buz parçasının yüzeyinde ince bir ferroelektrik katman oluştu.

“Bu, buz yüzeyinin doğal bir elektriksel polarizasyon geliştirebileceği anlamına geliyor. Dış bir elektrik alanı uygulandığında bu polarizasyon tersine çevrilebilir—tıpkı bir mıknatısın kutuplarının tersine çevrilebilmesi gibi,” dedi Wen bir açıklamada.

“Şaşırtıcı bir şekilde, “buzun elektriği sadece tek bir yolla değil, iki yolla da üretebileceğini gösterdi: Çok düşük sıcaklıklarda ferroelektrik ve daha yüksek sıcaklıklarda 0 [derece C’ye] kadar flexoelektrik, ” diye ekledi Wen.

Strese girmiş buzun faydası

Bulgu hem faydalı hem de bilgilendirici, araştırmacılar dedi İlk olarak, flexoelektriklik ve ferroelektriklik arasındaki “geçiş”, buzu “sensörler ve kapasitörler gibi gelişmiş teknolojilerde kullanılan titanyum dioksit gibi elektroseramik malzemelerle eşit hale getiriyor,” dediler.

Daha belirgin olan ise bulgunun doğal olaylarla, özellikle gök gürültülü fırtınalarla bağlantısıdır. Araştırmaya göre, deneydeki flexoelektriklikten üretilen elektrik potansiyeli, çarpışan buz parçacıklarının ürettiği enerjiyi yakından taklit ediyordu. En azından, flexoelektrikliğin, buz parçacıklarının gök gürültülü bulutlar içinde nasıl etkileşime geçtiğine kısmen dahil olması mantıklı olacaktır.

“Bu yeni buz bilgisi ile, doğadaki buzla ilgili süreçleri yeniden gözden geçirip, buz flexoelektrikliğinin gözden kaçan başka derin sonuçları olup olmadığını bulmaya çalışacağız,” dedi Wen, Gizmodo’ya.

Her iki sonucun da daha fazla incelenmesi gerekecek, araştırmacılar kabul etti. Bununla birlikte, bulgular bu kadar yaygın bir şey olan buz hakkında aydınlatıcı yeni bakış açıları sunmakta ve dünyamız hakkında öğrenilecek daha çok şey olduğunu göstermektedir.