探索可再生、可持續且成本低廉的能源，是當今社會面臨的一項極為緊迫的挑戰。水能作為一種傳統能源，自古便為人類所用，從早期的水車到現代水力發電，再到近年來興起的“水伏”技術，其利用形式不斷演進。
然而，盡管地球表面約10%的面積被冰覆蓋，“冰能”卻長期處于未被開發利用的狀態。已有研究發現，冰在非均勻變形下可產生電極化的現象，即撓曲電效應，但純冰的撓曲電系數僅為10?1?納庫每米量級，難以提供有效的力-電能量轉換。因此，如何顯著提升冰的撓曲電系數，成為實現“冰能”利用構想的核心關鍵。
西安交通大學航天航空學院教授申勝平帶領的研究團隊提供了一種巧妙策略：向冰里“加鹽”。他們發現，這一操作能讓冰的發電能力提升近千倍。其奧秘在于，當冰被彎曲時，鹽離子會沿著冰的晶界“奔跑”，形成電流。這項近日發表在《自然—材料》的研究，不僅讓開發冰能源更近一步，也刷新了人們對木衛二等冰封海洋世界電學活動的理解。
團隊合影。受訪者供圖
發現神奇的“撓曲流電效應”
據申勝平介紹，自然界中純冰的撓曲電信號極其微弱，難以滿足實際應用需求。為此，團隊將目光投向了人體血液和地球海洋中含量最高的溶質氯化鈉。“氯化鈉自身的撓曲電系數極低（約10?3納庫每米），若其作用僅是簡單的物理摻雜與效應疊加，則意義有限。但幸運的是，水冰體系常會‘涌現’出超越線性疊加的復雜行為。”
實驗發現，當鹽水凍結時，鹽離子因“鹽析效應”被排至冰晶界處，形成納米尺度的“準液體鹽水層”。該結構使鹽冰在宏觀上保持固態，內部卻形成了貫通的三維離子輸運網絡。彎曲冰梁時，界面處的鹽水會像擠壓濕海綿一樣，沿晶界從受壓區定向流向受拉區；由于界面雙電層的作用，這種流動攜帶凈電荷，從而產生顯著電流。團隊將這一機制命名為“撓曲流電效應”。
他進一步比喻道：“這好比為冰賦予了一套‘毛細血管’系統。彎曲一次，就像心臟搏動一次，驅動帶電液體完成一次循環。冰本身沒有心臟，但我們通過摻雜鹽，激活了它內在的輸運網絡。”
論文的共同第一作者文馨強調，這一晶界輸運網絡并非人工設計，而是在結冰過程中自發形成，因此它與毛細血管或植物葉脈等生命傳輸網絡相似，均為大自然的巧妙設計。
為驗證該機理，團隊制備了不同鹽度的冰梁，并采用標準三點彎裝置進行了撓曲電測試。結果表明，其等效撓曲電系數隨鹽度增加顯著升高，較純冰高約三個數量級。據此，團隊建立了力-電-化耦合的理論模型，并推導出等效撓曲電系數的解析表達式。
此公式清晰揭示了氯化鈉的作用機理：隨著鹽度升高，晶粒尺寸減小、通道厚度增大，輸運網絡得以擴展；同時，氯化鈉通過破壞氫鍵而激活受限水分子的平移與轉動，從而降低黏度、增大介電常數。這些因素協同作用，完美印證了實驗結果。
申勝平教授（右）和文馨（左）合影。受訪者供圖
開發冰能提供可能
該成果發表時被選為當期的封面論文，并配發專題評論。審稿人認為，這項工作拓展了利用地球水資源進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，具有重要的科學價值和廣闊的應用前景。
在應用潛力方面，團隊通過梯形臺與薄曲梁等結構設計，將均勻壓力轉化為梯度應變，使材料表現出可與優異壓電材料PMN-PT相媲美的等效壓電系數。“這為冰能的實際開發提供了可能，”論文的共同第一作者馬謙謙表示，“盡管目前仍處于實驗室階段，但我們期待未來能在極端環境甚至地外星球上，以冰為基礎實現就地取材、原位制備力電換能器，獲得可持續、可再生的能源。”
鹽冰作為一種天然具備“固體骨架+離子液體通道”復合結構的材料，其設計思路也可拓展至人工復合材料體系。正如韓國浦項工科大學教授Daesu Lee在評論中所指出：“該研究將界面耦合機制轉化為一種可工程化的機電轉換策略，具有廣泛的啟發意義。”
申勝平教授（右）和馬謙謙（左）在實驗室。受訪者供圖
“這些進展表明，在寒冷環境中原位制備冰基傳感或能量采集器件并非遙不可及，”馬謙謙總結道，“但走向實際應用仍需解決兩大關鍵難題：力學疲勞與電學損耗。”
力學疲勞源于晶界處的液體層，在載荷作用下易引發晶界滑移，產生不可逆的塑性變形，導致結構逐漸退化，電能輸出在30小時內可衰減近半；電學損耗則因自由離子的存在，對單個鹽冰器件來說，難以在電極兩側有效積聚電壓，限制了實際可用功率。團隊表示，后續研究將重點攻關上述瓶頸，推動冰基換能技術走向實用化。
“科研很酷，堅持很苦”
這次科研源于一次意外發現，申勝平回憶道，團隊致力于研究撓曲電效應十余年，理論上，撓曲電效應能夠存在于任何一種絕緣體中。但對于水冰體系，反而因為過于日常未得到應有的關注。2020年，在另一個課題實驗過程中，學生偶然發現樣品在零度以下信號變得雜亂起來，在分析的過程中懷疑可能是空氣中的水汽在樣品表面結冰，冰在受到不均勻變形時對測試的電學信號的影響。
雖然后來證實了這個雜亂無章的信號是儀器設置不當引起的，但“為什么不干脆研究冰的力電效應呢？”這個由意外催生的疑問，點燃了團隊的好奇心。
然而，探索之路比想象中艱辛。首個挑戰便是如何在低溫環境下，穩定地將電極復合到冰樣品上。無法批量制備和保存樣品，意味著每一次實驗都需從頭開始。文馨回憶道：“我們必須在兩片電極間小心翼翼地‘生長’出冰梁，再進行測試。”盡管過程繁瑣，但每一次全新的樣品都能給出重復而可靠的完美數據，這給予了團隊莫大的信心。
封面照片。受訪者供圖
實驗對操作者的經驗和耐心是極大的考驗。由于冰對溫度極其敏感，整個過程必須精準而細致，常常一做就是十幾個小時。“經常熬到走出實驗室時，天都已經亮了，”文馨坦言。
更大的挑戰在于理論攻堅。鹽冰體系看似簡單，實則復雜無比，其機理跨越七個數量級的空間尺度，涉及力、電、化學的多場耦合，其中關鍵的“準液體層”性質至今仍是學術爭論的焦點。盡管團隊在此領域已有積累，仍需要大量學習固液界面、動電現象等新知識。
在申勝平的指導下，理論的突破直至2024年夏天才姍姍來遲。經過無數次的嘗試，團隊最終將復雜的現象凝練為一個簡潔的解析公式。最令人振奮的是，這個公式竟能在不引入任何擬合參數的情況下，完美復現實驗數據。
“大自然偏愛簡潔，而我們需要做的，正是跋山涉水找到這種簡潔。”文馨感慨道。
研究的收尾階段，還上演了一場跨越時空的協作。2023年，博士畢業的文馨遠赴西班牙開展博士后工作，與西安有著7小時時差。他們卻將劣勢轉為優勢：馬謙謙晚上完成實驗發出數據，文馨在白天進行分析反饋，待馬謙謙醒來，便可規劃新一天的實驗。“我們利用時差，完成了一場完美的接力。”馬謙謙回憶道。
回首過往，實驗服上的標語“科研很苦，堅持很酷”時常映入眼簾。文馨卻總是笑著調侃：“得改成‘科研很酷，堅持很苦’。”因為在團隊心中，探尋自然奧秘的過程本身已足夠酷炫，而每一個理想數據帶來的興奮，便是對堅持最好的回報。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02332-5
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