发展可再生、可持续且成本低廉的能源，是当前亟须应对的一大挑战。水作为一种传统能源，自古便为人类所用。从早期的水车到现代水力发电，再到近年兴起的“水伏”技术，其利用形式不断演进。
然而，水的另一种形态“冰”，却长期处于未被开发利用的状态。已有研究发现，冰在非均匀变形下可产生电极化现象，即挠曲电效应。但纯冰的挠曲电系数仅为10-10纳库每米量级，难以提供有效的力-电能量转换。因此显著提升冰的挠曲电系数，成为实现“冰能”利用的关键。
西安交通大学教授申胜平带领的研究团队提供了一种巧妙策略——向冰里“加盐”。他们发现，这能让冰的发电能力提升近千倍。其奥秘在于，当冰被弯曲时，盐离子会沿着冰的晶界“奔跑”并形成电流。这项近日发表于《自然-材料》的研究，不仅让冰能源开发更进一步，还刷新了人们对木卫二等冰封海洋世界电学活动的理解。
发现神奇的“挠曲流电效应”
申胜平介绍，自然界中纯冰的挠曲电信号极其微弱，难以满足实际应用需求。为此，团队将目光投向了人体血液和地球海洋中含量最高的溶质氯化钠。“氯化钠自身的挠曲电系数极低（约10-3纳库每米），若仅是简单的物理掺杂与效应叠加，则意义有限。但幸运的是，水冰体系常会‘涌现’超越线性叠加的复杂行为。”
实验发现，当盐水冻结时，盐离子因盐析效应被排至冰晶界处，形成纳米尺度的准液体盐水层。该结构使盐冰在宏观上保持固态，内部却形成了贯通的三维离子输运网络。弯曲冰梁会像挤压湿海绵一样使界面处的盐水沿晶界从受压区定向流向受拉区。由于界面双电层的作用，这种流动携带净电荷，从而产生电流。团队将这一机制命名为“挠曲流电效应”。
“这好比赋予了冰一套毛细血管系统。弯曲一次，就像心脏搏动一次，驱动带电液体完成一次循环。冰本身没有心脏，但我们通过掺杂盐，激活了它内在的输运网络。”申胜平解释道。
论文第一作者文馨强调，这一晶界输运网络并非人工设计，而是结冰过程中自发形成的。它与毛细血管或植物叶脉等生命传输网络相似，均为大自然的巧妙设计。
为验证该机理，团队制备了不同盐度的冰梁，并采用标准三点弯装置进行了挠曲电测试。结果表明，其等效挠曲电系数随盐度增加显著升高，较纯冰高约3个数量级。据此，团队建立了力-电-化耦合的理论模型，并推导出等效挠曲电系数的解析表达式。
该公式清晰揭示了氯化钠的作用机理。随着盐度升高，晶粒尺寸减小、通道厚度增大，输运网络得以扩展。同时，氯化钠通过破坏氢键而激活受限水分子的平移与转动，从而降低黏度、增大介电常数。这些因素协同作用，完美印证了实验结果。
使开发冰能成为可能
该成果发表时被选为当期封面论文，并配发评论。审稿人认为，该研究拓展了利用地球水资源进行能量收集的潜在方法，并激励研究人员在其他材料中探索类似的挠曲流电效应，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。
在应用潜力方面，团队通过梯形台与薄曲梁等结构设计，将均匀压力转化为梯度应变，使材料表现出可与优异压电材料PMN-PT媲美的等效压电系数。“这为冰能的实际开发提供了可能。”论文第一作者马谦谦表示，“尽管目前仍处于实验室阶段，但我们期待未来能在极端环境甚至地外星球上，以冰为基础实现就地取材、原位制备力电换能器，获得可持续、可再生的能源。”
盐冰作为一种天然具备“固体骨架+离子液体通道”复合结构的材料，其设计思路可拓展至人工复合材料体系。韩国浦项科技大学教授Daesu Lee在评论中指出，该研究将界面耦合机制转化为一种可工程化的机电转换策略，具有广泛的启发意义。
“这些进展表明，在寒冷环境中原位制备冰基传感或能量采集器件并非遥不可及。”马谦谦总结道，“但走向实际应用仍需破解两大关键难题——力学疲劳与电学损耗。”
力学疲劳源于晶界处的液体层，在载荷作用下易引发晶界滑移，产生不可逆的塑性变形，导致结构逐渐退化，电能输出在30小时内衰减近半；电学损耗则因自由离子的存在，对单个盐冰器件来说，难以在电极两侧有效积聚电压，限制了实际可用功率。团队表示，后续研究将重点攻关上述瓶颈，推动冰基换能技术走向实用化。
“科研很酷，坚持很苦”
此次发表的科研成果源于一次意外发现。申胜平回忆说，团队致力于研究挠曲电效应十余年，理论上，挠曲电效应能够存在于任何一种绝缘体中。但水冰体系反因过于常见而未得到应有的关注。2020年，在另一个课题实验过程中，学生偶然发现样品在零摄氏度以下信号变得杂乱起来，怀疑可能是空气中的水汽在样品表面结冰，冰在不均匀变形时对测试的电学信号产生了影响。
虽然后来证实这个杂乱无章的信号是仪器设置不当引起的，但“为什么不干脆研究冰的力电效应”这个由意外催生的疑问，引发了团队的好奇心。
然而，探索之路比想象中艰辛。首个挑战便是如何在低温环境下稳定地将电极复合到冰样品上。无法批量制备和保存样品，意味着每一次实验都需从头开始。文馨回忆道：“我们必须在两片电极间小心翼翼地‘生长’出冰梁，再进行测试。”尽管过程繁琐，但每一次全新的样品都能给出重复而可靠的完美数据，这给予了团队莫大的信心。
实验对操作者的经验和耐心是极大的考验。由于冰对温度极其敏感，整个过程必须精准而细致，常常一做就是十几个小时。“经常走出实验室时，天都已经亮了。”文馨说。
更大的挑战在于理论攻坚。盐冰体系看似简单，实则无比复杂，其机理跨越7个数量级的空间尺度，涉及力、电、化学的多场耦合，其中关键的“准液体层”性质至今仍是学术争论的焦点。尽管团队在此领域已有积累，但仍需大量学习固液界面、动电现象等新知识。
在申胜平的指导下，理论的突破于2024年夏天姗姗来迟。经过无数次的尝试，团队最终将复杂的现象凝练为一个简洁的解析公式。最令人振奋的是，这个公式竟能在不引入任何拟合参数的情况下，完美复现实验数据。
“大自然偏爱简洁，而我们需要做的，正是跋山涉水找到这种简洁。”文馨感慨道。
研究的收尾阶段，还上演了一场跨越时空的协作。2023年，文馨远赴西班牙开展博士后研究，与西安有7小时时差。他们却将劣势转为优势。马谦谦晚上完成实验发出数据，文馨在白天进行分析反馈，待马谦谦醒来，便可规划新一天的实验。“我们利用时差，完成了一场完美的接力。”马谦谦说。
实验服上的标语“科研很苦，坚持很酷”时常映入眼帘，而文馨却总是笑着调侃：“得改成‘科研很酷，坚持很苦’。”因为在团队成员心中，探寻自然奥秘的过程本身已足够酷炫，而每一个理想数据带来的兴奋，便是对坚持最好的回报。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02332-5
原文刊载于《中国科学报》10月27日第03版
报道链接：https://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=&id=41845
