Descubren que el hielo es capaz de generar electricidad al deformarse
Un estudio coliderado por el Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) revela que el hielo tiene propiedades flexoeléctricas, es decir, es capaz de generar electricidad al doblarse o deformarse de manera no homogénea. Este hallazgo, publicado en Nature Physics, podría tener importantes implicaciones tecnológicas, así como ayudar a comprender mejor fenómenos naturales como los rayos.
El agua congelada es una de las sustancias más abundantes en la Tierra, presente en glaciares, cumbres montañosas y casquetes polares. Aunque se trata de un material de sobra conocido, el estudio de sus propiedades sigue revelando sorpresas.
En concreto, una investigación internacional en la que han colaborado el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), en el campus de la UAB, la Universidad Xi’an Jiaotong (Xi’an) y la Universidad Stony Brooks (Nueva York) ha demostrado por primera vez que el hielo común es un material flexoeléctrico. En otras palabras, es capaz de generar electricidad cuando se somete a deformaciones mecánicas. Este descubrimiento podría tener importantes aplicaciones en el desarrollo de futuros dispositivos tecnológicos, sino que también podría servir para explicar fenómenos meteorológicos como la formación de rayos en las tormentas eléctricas.
El estudio, publicado en la revista Nature Physics, supone un importante avance en la comprensión de las propiedades electromecánicas del hielo. “Hemos descubierto que el hielo genera carga eléctrica en respuesta a la presión mecánica a cualquier temperatura. Además, identificamos una fina capa ‘ferroeléctrica’ en su superficie a temperaturas por debajo de -113 °C (160 K). La ferrolectricidad hace referencia a la capacidad de un material polarizarse de forma espontánea. Esta polarización se puede invertir cuando se aplica un campo eléctrico externo, de manera similar a un imán. La ferroelectricidad superficial es un hallazgo interesante en sí mismo, ya que implica que el hielo podría tener no solo una forma de generar electricidad, sino dos: ferroelectricidad a temperaturas muy bajas, y flexoelectricidad a temperaturas más altas hasta llegar a 0 °C.”, explica el Dr. Xin Wen, uno de los investigadores principales del estudio.
Esta capacidad para generar carga lo sitúa al nivel de los llamados materiales electrocerámicos, como el dióxido de titanio, utilizados actualmente en tecnologías avanzadas, como sensores o capacitadores.
Flexoelectricidad, hielo y tormentas eléctricas
Uno de los aspectos más sorprendentes de este hallazgo es su conexión con la naturaleza. Los resultados del estudio sugieren que el fenómeno de la flexoelectricidad del hielo podría jugar un papel importante en la electrificación de las nubes en las tormentas, aportando una posible explicación al origen de los rayos.
Hasta ahora, se sabe que los rayos se forman cuando se genera un potencial eléctrico en las nubes, producido por múltiples colisiones entre partículas de hielo presentes en ellas, que se cargan eléctricamente. Este potencial eléctrico es liberado después en forma de rayo. Sin embargo, se desconoce el mecanismo que hace que las partículas de hielo se electrifiquen, ya que el hielo no es un material que se pueda cargar eléctricamente al ser presionado (fenómeno conocido como piezoelectricidad).
Sin embargo, los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que el hielo sí es capaz de electrificarse cuando se somete a deformaciones no homogéneas. Es decir, cuando se dobla o se deforma de manera irregular a lo largo de su estructura.
“En el estudio se determinó el potencial eléctrico generado al de formar un bloque de hielo, sometiéndolo a una fuerza mecánica. En concreto, el bloque se colocó entre dos laminas metálicas y se conectó a un instrumento de medida. Pudimos confirmar que los resultados obtenidos coincidían con los valores observados en las colisiones de partículas de hielo que se producen en las tormentas, y que han sido medidos en experimentos previos”, apunta el Profesor Gustau Catalán, líder del grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2 y autor del artículo.
De esta forma, la flexoelectricidad podría ser una de las posibles explicaciones a la generación del potencial eléctrico de las nubes que favorece la aparición de rayos en las tormentas.
Perspectivas de futuro
Los investigadores del grupo ya trabajan en nuevas líneas de investigación con el objetivo de utilizar estas propiedades del hielo en aplicaciones reales. Aunque aún es pronto para hablar de ello, este hallazgo podría abrir la puerta al desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos que utilicen el hielo como material activo, y que podrían fabricarse directamente en entornos fríos.
Artículo de referencia:
Wen, X; Ma, Q; Mannino, A; Fernandez-Serra, M; Shen, S; Catalan, G. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nature Physics. (2025).