科学家意外发现冰能发电，助力实现极端环境能源自给

“我们都知道雷电活动会给人类生产生活带来巨大损失，但其发生过程始终难以精确预测。造成这一困境的核心原因之一，是对雷云充电物理机制的理解仍不充分。我们的研究为破解闪电之谜补上了一块关键拼图（虽然可能并非最后一块），有助于提升未来对雷电活动的预测能力，进而减少由雷电引发的损失。”西安交通大学航天航空学院院长申胜平教授告诉 DeepTech。

图 | 申胜平（来源：申胜平）

在上述研究中，他和团队在更具体的器件应用层面已经展示了两种盐冰器件，通过梯形台和薄曲梁这样的结构设计，可以将均匀的压力转换为不均匀的变形，借此获得的等效压电系数可以媲美性能最优的压电材料 PMN-PT。“这为开发冰能提供了可能性。”他表示。未来，他和团队期望实现的是，在一些极端环境下乃至地外星球上就地取材，利用自然界中大量存在的冰，原位制造力电换能器，从风、潮汐活动、地壳运动等自然现象中获取电能，从而实现能量采集或环境监测。

（来源：资料图）

从意外之喜到两篇顶刊论文

据了解，这项研究成果的诞生其实是一个意外之喜，他和团队原本只是出于单纯的好奇心，而非为了解决某个既有问题。2020 年，在进行另一个挠曲电实验时，申胜平的学生观察到样品在零点以下出现了杂乱的信号。他们当时怀疑是低温下水汽在样品表面结冰所致，毕竟理论上任何绝缘体都应具备挠曲电性，冰应该也不例外。后来，学生确认这个噪声是源于仪器灵敏度设置不当，但正是这次实验插曲，将他们引入了冰的挠曲电性研究这一课题，并将相关论文发表于 Nature Physics。

图 | 相关论文（来源：Nature Physics）

在完成第一阶段的工作之后，他们发现纯冰的挠曲电系数极小，不足以支撑实际的力电转换应用。这便自然引出了第二个课题：如何提升挠曲电系数？于是，他们尝试了盐掺杂，发现非常有效，相关论文随后发表于 Nature Materials。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

在发表于 Nature Physics 的论文中，他们首次实验并证实了普通六方冰的挠曲电特性，观察到其表面在低温下出现铁电相变。同时，他们建立了雷暴云中冰-霰碰撞的挠曲电理论模型，并给出了相应的解析表达式。该模型不仅能解释冰的碰撞带电机制，也可推广用于分析其他材料接触起电中的挠曲电贡献。

在随后发表于 Nature Materials 的论文中，他们发现掺盐之后能够使冰的挠曲电响应增强三个数量级，并揭示其核心机制源于弯曲驱动的晶界盐离子流动。研究团队将这一新现象命名为“挠曲流电效应”，并提出了简洁有效的解析公式，可以普适地指导含液体多孔材料的力电耦合研究。在应用层面，经过结构优化之后，其所研发的盐冰器件展现出可与顶级压电晶体媲美的等效压电系数。

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惊人效应有时就藏在寻常之物之中

审稿人对于发表于 Nature Physics 的论文评述道：“这项重要的测量为探索冰的挠曲电效应和铁电性在地球及其他行星云层中冰晶带电过程中的可能作用打开了大门，此前这一过程尚未得到很好理解甚至几乎未被理解，但它却是大气现象的核心。”

此外，Nature Physics 期刊邀请韩国基础科学研究院雅罗斯拉夫·索博列夫（Yaroslav Sobolev）研究员以《从弯曲到闪电》（From bending to lightning）为题撰写了 News & Views 观点文章，对该论文进行了专题评论，文中指出：“几千年来人们一直在目睹闪电的出现，然而尽管科学取得了巨大成就，人们仍然不知道云层为什么会产生闪电。现在，研究团队发现，当冰被弯曲时会带电，这一发现可能为破解闪电之谜铺平道路。”该文章还指出：“耐人寻味的是，冰的挠曲电系数在大约 −15°C 附近会改变符号，而这正是自然界中雷暴带电极性发生反转的温度。这个对应关系表明，挠曲电性可能提供一条替代相对扩散生长速率理论的解释，用以理解带电方向为何依赖于温度。”该文章继续指出：“如果挠曲电机制在地球云层中得到证实，其意义可能超出地球大气。在原行星盘中，尘埃颗粒的碰撞会面临反弹障碍——颗粒相互反弹而非粘连，从而阻碍行星形成，而碰撞带电有助于克服这一障碍。宇宙真空冷环境中的冰结构与当前研究的地球六方冰不同，但相同的实验技术完全可以被用于研究宇宙冰。”

对于发表于 Nature Materials 的论文，一位审稿人评述道：“这项工作拓展了利用地球水资源进行能量收集的潜在方法，并能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。”还有一位审稿人指出：“这篇论文展示了一项极具吸引力且意义重大的研究，报道了在盐冰中发现的巨挠曲流电效应。这一概念引人入胜，尤其在更广泛的生物与环境背景下具有重要意义。”

此外，Nature Materials 期刊邀请韩国浦项工科大学李大洙（Daesu Lee）教授以《盐使冰转变成一种高效挠曲电材料》（Salt turns ice into a powerful flexoelectric material）为题撰写了 News & Views 观点文章，对该论文进行了专题评论，文中指出：“（挠曲流电效应）这一机制颇具启发性：只要一个可变形固体中含有连通的离子相，弯曲时就可能产生远远超过晶格本身所能贡献的电荷信号。”该文章还写道：“目前，这项研究已经将一种普通的固体借助日常厨房里的调味品，转变为高性能电机耦合发电器件。这提醒人们——惊人的效应有时就隐藏在寻常之物之中。”

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从“尚显不足”的退稿意见，到被评为“可能为破解闪电之谜铺平道路”

尽管两篇论文最终都成功发表在了 Nature 大子刊，但是研究过程和投稿过程并非一帆风顺。据了解，在 2020 年决定测量冰的挠曲电性后，研究团队很快取得了初步成果：仅用一周时间就在纯冰样品中，观测到弯曲会产生电信号。紧接着，又用了两周时间测量高浓度盐冰，发现挠曲电系数显著提升。研究团队将这些结果整理为论文，并且结尾尝试对自然带电现象进行初步讨论。

2021 年当他们进行首次投稿时，期刊编辑虽然表达了兴趣但并未送审，而是指出两个问题：一是其认为研究团队对自然现象解释这一部分的解释不深入，二是盐在挠曲电增强方面的作用没有解释清楚。“回过头看，编辑是对的，我们在这一阶段对问题的理解还很浅显。”申胜平表示。

从 2022 年开始，研究团队沉下心来，进入“深耕阶段”。他们将工作重心首先放在纯冰研究上，在样品制备、机械加载、电学测试、温度控制等方面对实验设计进行了全方位优化，确保了数据的可靠性与可重复性。在变温实验中，研究团队意外发现了在 -110℃ 附近的挠曲电峰值，并通过电极依赖性测试、第一性原理计算，以及挠曲电-极化电场的蝶形曲线等多重结果证明，这一峰值源于冰的表面铁电相变。

与此同时，他们梳理了冰带电问题甚至整个接触起电领域的历史文献和当前理解，不断修正和完善理论模型。最终发现，挠曲电模型不仅能预测的冰碰撞产生的电荷量，与既有风洞实验结果相符，还能解释雷云中随温度翻转的典型三极性结构。

“可以说，从首次投稿时收到的‘这些论述对顶刊而言尚显不足’这一退稿意见，到最近在 Nature Physics 的 New & Views 专题评论文章中被评价为‘这一发现可能为破解闪电之谜铺平道路’，我们走了四年时间。”申胜平表示。

2023 年，当他们将纯冰论文投稿至 Nature Physics 之后，随即着手完善盐冰工作。有了前期的经验，他们很快补充了八种盐分样品的挠曲电数据，包括温度与频率依赖性。但在此时他们开始怀疑盐冰的挠曲电增强行为可能与晶界输运相关，于是在晶界工程、固液界面和动电理论等方面进行大量调研，着手构建理论模型。

2024 年，在结构表征方面，他们通过拉曼光谱确认了盐杂质主要富集于晶界，并发现掺杂盐分会减小晶粒尺寸。在功能测试方面，他们设计并制备了盐冰器件，其等效压电系数可与顶级压电单晶媲美。几乎在得到这些新实验结果的同一时间，理论建模也最终完成。研究团队将盐冰这个跨尺度的力-电-化耦合体系提炼为一个解析模型，其中所有参数均有明确物理意义，并且在定性和定量上都与实验高度吻合。这种程度的理论-实验一致性在复杂体系中极为罕见，说明他们真正抓住了问题的核心。2024 年 10 月，研究团队终于完成论文初稿，两月后投稿至 Nature Materials。而此时，纯冰论文仍在 Nature Physics 的第三轮申诉过程中。

申胜平表示：“现在回过头看，2021 年首次投稿时论文的‘薄弱之处’，最终演化为两篇独立论文的灵魂。对我们而言，这段经历带来的启示是：一个好点子足以开启一项好的课题，但要真正深入问题揭示其深层规律，甚至看到‘别有洞天’就必须下苦功夫，并在挑战和困难前坚持不懈。”他继续说道：“灵感可遇而不可求。但是，沉下心来进行踏实的积累与钻研，是我们能够掌控的。幸运的是，当课题本身很有趣时，即使过程再艰辛，也能充满动力。我的学生文馨和马谦谦对此深有体会。”

每一份审稿邀请，都意味着责任

申胜平补充称，一般来说一篇高水平论文只能讲清楚一件事。但是，他们发表在 Nature Physics 上的这篇论文却同时讲了三件事：冰的挠曲电、冰的表面铁电，以及冰的挠曲电在雷云充电中的作用。他和团队常开玩笑说，这其实是“三篇论文合在了一起”。

这种情况的出现是有原因的：表面铁电是他们在挠曲电测试中意外观察到的结果，这是由于挠曲电性对表面很敏感，二者直接相关；而雷云充电这一点则是他们在研究第一阶段便开始构思的方向。“我们觉得它很重要，也很令人兴奋，所以最终还是决定将它写进论文。”其表示。

这样安排的结果便是：论文的“网”撒得很开，审稿人可以从各个角度进行质疑。事实也确实如此：挠曲电部分对于他们来说并不困难，因为该团队长期从事这一方向的研究，和申胜平共同指导这项研究的西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所古斯塔夫·加泰隆（Gustau Catalan）教授也是该领域的著名专家。在表面铁电方面，他们也很快通过邀请美国纽约州立大学石溪分校马里维·费尔南德斯-塞拉（Marivi Fernández-Serra）教授加入使论文质量得到提升。

申胜平表示，真正让他和团队陷入长达两年多审稿过程的，是关于雷云充电的讨论。他和团队中没有研究接触带电的成员，只能从头开始调研、推演理论模型，但一直很难让审稿人信服。在那两年里，研究团队不得不为“把几篇论文塞进一篇”这一选择而“付出代价”。

直到最后阶段，出现了一位意外的“帮手”，期刊编辑邀请到了一位来自接触带电领域的专家担任第五位审稿人。这位审稿人对研究意义给出了高度评价，同时也对技术层面给出了不少批评意见。他/她并未止步于此，而是先后提交了两份长达数十页、带有目录和参考文献的审稿意见，复现了研究团队的理论推导和绘图，逐个分析了论文的具体问题，并提出了更合理的改进思路。

申胜平说道：“我从未见过如此详尽而负责的审稿意见，它们真正帮助我们大幅提升了这部分论文内容的水准。我们在论文致谢中专门感谢了这位匿名审稿人。虽然我们不知他/她的身份，但是这份审稿意见令人动容，也提醒了我们：作为科研工作者，接受的每一份审稿邀请，都意味着责任。”

最终，这篇论文成功发表于 Nature Physics，不过他们还是从漫长的同行评议过程中吸取了教训。因而在准备盐冰这篇论文时，研究团队决定：这一次只讲一件事情，并且在撰写过程中便对所有实验、模型、机理分析进行严格的“预审稿”，同时尽量用简洁、清晰、线性的叙事来串联复杂现象。当初稿论文完成时，研究团队就很清楚，这是一篇好论文。事实证明如此，审稿过程非常顺利，仅经历了一轮小幅修改便被 Nature Materials 接受。

在这些研究中，虽然他们研发了高性能盐冰器件，但若要推动其真正走向应用，仍需克服两大挑战：其一是力学疲劳。由于盐冰晶界中存在可流动的液体层，在反复受载过程中晶界易发生滑移，从而破坏“固体骨架＋离子液体通道”的结构，导致电能输出在约 30 小时后衰减近一半。其二是电学损耗。盐冰内部自由离子的存在使得其两侧难以稳定积累高电压，这给能量利用带来了限制。未来，他们计划针对这两点问题展开更深入的研究。

参考资料：

Wen, X., Ma, Q., Liu, J. et al. Streaming flexoelectricity in saline ice. Nat. Mater. 24, 1533–1537 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02332-5

Wen, X., Ma, Q., Mannino, A. et al. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nat. Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02995-6

排版：刘雅坤