Descobreixen que el gel és capaç de generar electricitat en deformar-se
Un estudi coliderat per l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) revela que el gel té propietats flexoeléctriques, és a dir, és capaç de generar electricitat en doblegar-se o deformar-se de manera no homogènia. Aquesta troballa, publicada a Nature Physics, podria tenir importants implicacions tecnològiques, així com ajudar a comprendre millor fenòmens naturals com els llamps.
L'aigua congelada és una de les substàncies més abundants a la Terra, present en glaceres, cims de muntanyes i casquets polars. Encara que es tracta d'un material de sobres conegut, l'estudi de les seves propietats continua revelant sorpreses.
En concret, una recerca internacional en la qual han col·laborat l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), al campus de la UAB, la Universitat Xi’an Jiaotong (Xina) i la Universitat Stony Brooks (Nova York) ha demostrat per primera vegada que el gel comú és un material flexoelèctric. En altres paraules, és capaç de generar electricitat quan se sotmet a deformacions mecàniques.
Aquest descobriment podria tenir importants aplicacions en el desenvolupament de futurs dispositius tecnològics, sinó que també podria servir per a explicar fenòmens meteorològics com la formació de llamps en les tempestes elèctriques.
L'estudi, publicat en la revista Nature Physics, suposa un important avanç en la comprensió de les propietats electromecàniques del gel. “Hem descobert que el gel genera càrrega elèctrica en resposta a la pressió mecànica a qualsevol temperatura. A més, identifiquem una fina capa ‘ferroelèctrica’ en la seva superfície a temperatures per sota de -113 °C (160 K). La ferrolectricitat fa referència a la capacitat d'un material polaritzar-se de manera espontània. Aquesta polarització es pot invertir quan s'aplica un camp elèctric extern, de manera similar a un imant. La ferroelectricitat superficial és una troballa interessant en si mateixa, ja que implica que el gel podria tenir no sols una manera de generar electricitat, sinó dues: ferroelectricitat a temperatures molt baixes, i flexoelectricitat a temperatures més altes fins a arribar a 0 °C”, explica el Dr. Xin Wen, un dels investigadors principals de l'estudi.
Aquesta capacitat per a generar càrrega elèctrica ho situa al nivell dels anomenats materials electroceràmics, com el diòxid de titani, utilitzats actualment en tecnologies avançades, com a sensors o capacitadors.
Flexoelectricitat, gel i tempestes elèctriques
Un dels aspectes més sorprenents d'aquesta troballa és la seva connexió amb la natura. Els resultats de l'estudi suggereixen que el fenomen de la flexoelectricitat del gel podria jugar un paper important en l'electrificació dels núvols en les tempestes, aportant una possible explicació a l'origen dels llamps.
Fins ara, se sap que els llamps es formen quan es genera un potencial elèctric en els núvols, produït per múltiples col·lisions entre partícules de gel presents en elles, que es carreguen elèctricament. Aquest potencial elèctric és alliberat després en forma de llamp. No obstant això, es desconeix el mecanisme que fa que les partícules de gel s'electrifiquin, ja que el gel no és un material que es pugui carregar elèctricament en ser pressionat (fenomen conegut com a piezoelectricitat).
No obstant això, els resultats d'aquest estudi han posat de manifest que el gel sí que és capaç d'electrificar-se quan se sotmet a deformacions no homogènies. És a dir, quan es doblega o es deforma de manera irregular al llarg de la seva estructura.
“Durant l'estudi es va determinar el potencial elèctric generat en doblegar un bloc de gel, sotmetent-lo a una força mecànica. En concret, el bloc es va col·locar entre dos lamines metàl·liques i es va connectar a un instrument capaç de detectar la càrrega elèctrica generada. En analitzar-ho, els resultats coincidien amb els valors observats en experiments previs sobre les col·lisions de partícules de gel en les tempestes”, apunta el Professor ICREA Gustau Català, líder del grup de Nanofísica d'Òxids d'ICN2 i autor de l'article.
D'aquesta manera, els resultats suggereixen que la flexoelectricitat podria ser una de les possibles explicacions a la generació del potencial elèctric dels núvols que afavoreix l'aparició de llamps en les tempestes.
Perspectives de futur
Els investigadors del grup ja treballen en noves línies de recerca amb l'objectiu d'utilitzar aquestes propietats del gel en aplicacions reals. Si bé encara és aviat per a parlar d'això, aquesta troballa podria obrir la porta al desenvolupament de nous dispositius electrònics que utilitzin el gel com a material actiu, i que podrien fabricar-se directament en entorns freds.
Referència de l’article:
Wen, X; Ma, Q; Mannino, A; Fernandez-Serra, M; Shen, S; Catalan, G. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nature Physics. (2025).