Nieuw onderzoek laat zien dat ijs niet zo passief is als gedacht: door buigen of draaien genereert het elektriciteit – een ontdekking die energieonderzoek en natuurkunde voor goed kan veranderen.
Gewoon ijs blijkt verrassend actief te zijn: het kan elektriciteit opwekken wanneer het wordt gebogen, uitgerekt of verdraaid. Volgens een recent onderzoek, gepubliceerd in Nature Physics, laat dit zien dat ijs niet zo passief is als gedacht en mogelijk zelfs als nieuwe energiebron kan dienen.
Het onderzoek werd uitgevoerd door het Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) in Spanje, samen met onderzoekers van Xi’an Jiaotong University in China en Stony Brook University in de Verenigde Staten. De bevindingen zouden niet alleen ons begrip van een van de meest alledaagse materialen op aarde veranderen, maar kunnen ook nieuwe technologische toepassingen inspireren.
Jarenlang mysterie
Wetenschappers hebben zich jarenlang afgevraagd waarom ijs niet piezo-elektrisch is. Piezo-elektriciteit ontstaat wanneer een materiaal elektrische lading genereert onder mechanische druk, maar de gepolariseerde watermoleculen in een ijskristal heffen elkaar op.
Toch zien we in de natuur dat ijs wél elektrische effecten kan veroorzaken, bijvoorbeeld bij blikseminslagen in onweerswolken. Dit fenomeen bleef tot nu toe een mysterie.
Verborgen kracht van ijs
Het team onderzocht daarom een andere vorm van elektriciteit: flexo-elektriciteit, die kan optreden in materialen ongeacht hun kristalstructuur. Dit maakte het een veelbelovende verklaring voor het onverwachte gedrag van ijs.
In hun experiment plaatsten de onderzoekers een ijsblok tussen twee elektroden en controleerden ze zorgvuldig dat er geen piezo-elektrische lading aanwezig was. Bij het buigen van het blok ontstond echter op iedere geteste temperatuur elektriciteit.
“De elektrische potentiaal die werd opgewekt door het buigen van het ijsblok komt overeen met de energie die vrijkomt bij botsende ijskristallen in onweerswolken,” legt ICREA-professor Gustau Catalán van ICN2 uit.
Dubbele verassing bij extreem lage temperaturen
Bij extreem lage temperaturen, onder -113 graden Celsius, ontdekte het team dat een dunne ferro-elektrische laag aan het oppervlak van het ijs verscheen. Dit betekent dat het oppervlak van ijs een natuurlijke elektrische polarisatie kan ontwikkelen, die kan worden omgekeerd met een extern elektrisch veld – vergelijkbaar met het omdraaien van de polen van een magneet.
Volgens Wen heeft ijs dus mogelijk twee manieren om elektriciteit op te wekken:
- Flexo-elektriciteit bij hogere temperaturen, tot aan 0°C.
- Ferroelectriciteit bij extreem lage temperaturen.
Verregaande implicaties
De ontdekking plaatst ijs in hetzelfde rijtje als geavanceerde elektroceramische materialen, zoals titaniumdioxide. Ingenieurs gebruiken dat al volop in sensoren en condensatoren. Het vermogen van ijs om te schakelen tussen flexo- en ferroelectriciteit maakt het verrassend veelzijdig.
Daarnaast kan het inzicht bijdragen aan het verklaren van natuurlijke verschijnselen. De gemeten elektrische potentiaal komt namelijk overeen met de energie die vrijkomt bij botsende ijskristallen in onweerswolken. Flexo-elektriciteit zou dus een rol kunnen spelen in het gedrag van ijs in stormen.
“Met deze nieuwe kennis over ijs zullen we natuurprocessen opnieuw bekijken om te zien of er andere diepgaande gevolgen van ijs-flexo-elektriciteit over het hoofd zijn gezien,” aldus Wen.
Wat nu?
Hoewel er nog veel onderzoek nodig is om de volledige implicaties te begrijpen, laat deze ontdekking zien dat zelfs een alledaags materiaal als ijs verborgen complexe eigenschappen heeft. Wat ooit passief leek, blijkt actief – met potentieel voor zowel technologische toepassingen als een beter begrip van de natuur.
