Nat. Mater.：申勝平教授團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)鹽冰中的撓曲流電效應(yīng)

探索可再生、可持續(xù)且低成本的能源，是當(dāng)今社會最迫切的挑戰(zhàn)之一。水能自古以來便被廣泛利用，從水車和水力發(fā)電，再到近年來的“水伏”技術(shù)。相比之下，盡管地球表面約有10%被冰覆蓋，“冰能”卻長期未被利用。雖然研究表明冰具有撓曲電效應(yīng)（即在非均勻變形下產(chǎn)生電極化），但純冰的撓曲電系數(shù)僅在1–10 nC/m量級，遠(yuǎn)不足以支撐實際的力-電能量轉(zhuǎn)換。因此，提升冰的撓曲電系數(shù)是實現(xiàn)冰能設(shè)想的關(guān)鍵。

西安交通大學(xué)力化學(xué)耦合與智能介質(zhì)實驗室及合作者發(fā)現(xiàn)，向冰中摻雜鹽可使撓曲電系數(shù)提升約三個量級，并揭示其機(jī)理為彎曲變形下鹽離子沿晶界輸運(yùn)產(chǎn)生電流。這一發(fā)現(xiàn)使開發(fā)冰能的愿景更進(jìn)一步，同時也為理解木衛(wèi)二（Europa）、土衛(wèi)二（Enceladus）等冰封海洋世界的電學(xué)活動提供了新的線索。北京時間2025年9月15日，相關(guān)研究成果以“Streaming Flexoelectricity in Saline Ice”為題在線發(fā)表于Nature Materials，并被選為該期的封面論文。同時Nature Materials邀請韓國浦項工科大學(xué)Daesu Lee教授以“Salt turns ice into a powerful flexoelectric material”為題撰寫了News & Views觀點(diǎn)文章，對該論文進(jìn)行了專題評論。這是繼該團(tuán)隊近期在Nature Physics上報道冰的撓曲電性與表面鐵電性之后取得的又一重要進(jìn)展。

自然界中的冰往往含有雜質(zhì)，因此研究摻雜效應(yīng)是一個合理的切入點(diǎn)。本研究選擇了最常見的溶質(zhì)氯化鈉（NaCl）。NaCl自身的撓曲電系數(shù)為~10?3nC/m，遠(yuǎn)低于冰，因此若摻雜僅是二者各自撓曲電極化的簡單疊加，則意義有限。幸運(yùn)的是，水冰體系往往不遵循簡單的線性疊加規(guī)律，而會涌現(xiàn)出更復(fù)雜的現(xiàn)象。在多晶冰中，晶界因預(yù)融化效應(yīng)而被納米級厚度的準(zhǔn)液體層所潤濕；而在結(jié)冰過程中，鹽離子因難以進(jìn)入冰晶格而被排擠至晶界，從而進(jìn)一步強(qiáng)化預(yù)融化效應(yīng)，拓寬并增多晶界通道。由此，多晶鹽冰既保有穩(wěn)固的固體框架，又形成貫通的納米輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)發(fā)生彎曲時，預(yù)融化鹽水層沿晶界從受壓側(cè)被擠向受拉側(cè)（圖1a,b）。由于冰–水界面存在電雙層結(jié)構(gòu)（圖1c），這一輸運(yùn)過程將攜帶凈電荷，從而產(chǎn)生電流。研究團(tuán)隊將這一機(jī)理命名為“撓曲流電效應(yīng)”。

圖1.撓曲流電效應(yīng)的多尺度機(jī)理示意圖。a，多晶鹽冰梁，其晶界因預(yù)融化效應(yīng)被潤濕。彎曲驅(qū)動晶界鹽水層流動而產(chǎn)生可測電流; b，晶界液體通道放大示意圖。灰色、黑色和紅色箭頭分別表示壓力、泊肅葉型流動、凈電荷遷移; c，界面電雙層結(jié)構(gòu)放大示意圖。電流的產(chǎn)生源于攜帶凈電荷的擴(kuò)散層（diffuse layer）相對于緊密吸附的Stern層發(fā)生剪切移動

研究團(tuán)隊制備了不同鹽度的冰梁，并采用標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎裝置進(jìn)行了撓曲電測試。結(jié)果表明，等效撓曲電系數(shù)隨鹽度增加顯著升高（圖2a,b）：在25 wt%時達(dá)到約3 μC/m，較純冰高約三個數(shù)量級。基于圖1所示機(jī)理，團(tuán)隊建立了理論模型，并推導(dǎo)出等效撓曲電系數(shù)的解析表達(dá)式：

其中，Y為楊氏模量，f為加載頻率，ξ和η分別為鹽水介電常數(shù)和黏度，d為通道寬度，g為晶粒尺寸，

圖2.鹽冰的增強(qiáng)撓曲電效應(yīng)。a，不同鹽度下電極化與應(yīng)變梯度的關(guān)系及其線性擬合；b，撓曲電系數(shù)隨鹽度變化，實驗結(jié)果與理論預(yù)測吻合。插圖展示了晶粒尺寸和準(zhǔn)液體層（QLL）厚度隨鹽度的變化。實驗條件：?22 °C、1 Hz

如何區(qū)分撓曲流電效應(yīng)與常規(guī)撓曲電效應(yīng)？首先可以通過頻率。撓曲流電效應(yīng)依賴于界面液體的長程輸運(yùn)，弛豫時間較長，表現(xiàn)為

圖3.撓曲電效應(yīng)與撓曲流電效應(yīng)的區(qū)分特征。a，等效撓曲電系數(shù)和頻率倒數(shù)的關(guān)系（T=–22 °C）。黑色虛線為斜率為1的參考線; b，等效撓曲電系數(shù)隨溫度的變化（f= 1 Hz）。兩幅插圖表示液體通道網(wǎng)絡(luò)在低溫下凍結(jié)

闡明機(jī)理后，研究團(tuán)隊初步探索了應(yīng)用潛力。賓夕法尼亞州立大學(xué)Cross教授曾提出基于撓曲電效應(yīng)設(shè)計無鉛壓電復(fù)合材料的方案，其核心在于引入結(jié)構(gòu)非對稱性，將壓縮載荷轉(zhuǎn)化為應(yīng)變梯度。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊基于鹽冰制備了圓臺和撓曲型梁兩類典型結(jié)構(gòu)（圖4a,b），并測量了其等效壓電系數(shù)

圖4.通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使鹽冰具有等效壓電性。a, b，圓臺和撓曲型梁在壓縮下產(chǎn)生應(yīng)變梯度；c, d，等效壓電系數(shù)隨結(jié)構(gòu)非對稱性（c）和梁厚度（d）的變化。NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)25 wt %

最后，力控微納米通道的輸運(yùn)行為在自然界中并不罕見——從骨修復(fù)過程中的流動電位，到跨細(xì)胞膜的機(jī)械離子通道（2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎）均為典型例證。鹽冰體系的獨(dú)特之處在于：固體骨架與液體介質(zhì)皆為H?O，界面處的H?O分子預(yù)融化為準(zhǔn)液體層，由此自發(fā)形成可隨溫度重構(gòu)的固液界面。考慮到自然界的冰幾乎總含雜質(zhì)，這一自發(fā)過程意味著撓曲流電效應(yīng)可能具有深遠(yuǎn)意義。例如，它可能參與雷暴云中冰–霰碰撞的帶電過程——研究團(tuán)隊在前期工作中基于純冰的本征撓曲電性進(jìn)行了分析，目前看來這一貢獻(xiàn)可能被低估。將目光投向太空，僅太陽系就存在多個冰衛(wèi)星。以木衛(wèi)二為例，其表面被一層含鹽冰殼覆蓋，下方則是廣闊的咸水海洋，它被視為最可能孕育生命的地外天體之一。此時此刻，NASA的“Clipper”號探測器正奔赴木衛(wèi)二，肩負(fù)著評估其生命宜居性的使命。已有研究推測，冰殼在受到隕石撞擊、潮汐力和構(gòu)造活動時產(chǎn)生的電能或許能為生命提供潛在能量來源。將此處的電能歸因于撓曲（流）電效應(yīng)或許為時尚早，但這些關(guān)聯(lián)無疑為理解冰電能的宇宙學(xué)意義提供了新的線索。

三位審稿人均對此工作給予了高度評價。一位直接建議接收，另一位評述到：“This work expands potential methods for harvesting energy from Earth's water resources and could inspire researchers to explore similar streaming flexoelectric effects in other materials. It holds significant scientific value and promising application prospects.”（這項工作拓展了利用地球水資源進(jìn)行能量收集的潛在方法，并能激勵研究人員在其他材料中探索類似的撓曲流電效應(yīng)，具有重要的科學(xué)價值和廣闊的應(yīng)用前景）；

還有一位則指出：“This manuscript presents a highly intriguing and significant study on the discovery of giant streaming flexoelectricity in saline ice. The concept of streaming flexoelectricity is fascinating, especially its broader implications in biological and environmental contexts.“（這份稿件展示了一項極具吸引力且意義重大的研究，報道了在鹽冰中發(fā)現(xiàn)的巨撓曲流電效應(yīng)。這一概念引人入勝，尤其在更廣泛的生物與環(huán)境背景下具有重要意義）。

西安交通大學(xué)博士畢業(yè)生文馨（現(xiàn)為加泰羅尼亞納米科技研究所博士后）、西安交通大學(xué)博士研究生馬謙謙為論文共同第一作者；麥吉爾大學(xué)博士后劉靜冉、加泰羅尼亞納米科技研究所博士研究生Umair Saeed參與了論文的相關(guān)工作；文馨博士、西安交通大學(xué)申勝平教授、加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院/復(fù)雜服役環(huán)境重大裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命全國重點(diǎn)實驗室為論文第一單位。該研究得到了111計劃、國家自然科學(xué)基金委重大項目、國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項目（博士研究生）的資助。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02332-5

News & Views專題評論鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02328-1