加入盐，冰就可以发电！

用冰发电

寻找可再生、可持续且低成本的能源，是当今社会最紧迫的挑战之一。自古以来，人类不断尝试从地球上最常见的物质之一——水中获取能量。相比之下，人们几乎很少试图从冰中获取能量，因为冰既不像流水那样具有巨大的动能，也不具备压电性（无法在压力下发电）。

因此，尽管地球表面约有10%被冰覆盖，但“冰能”至今尚未被开发。不久前，西安交通大学的科学家与合作者在《自然·物理》上发表了一项研究，表明冰在弯曲时可以通过挠曲电效应产生电能。但可惜的是，纯冰的挠曲电系数仅为1~10nC/m，这一数值虽然足以影响某些自然现象，却远不足以支持机电器件的应用。

不过，在最新发表于《自然·材料》的研究中，这一团队发现，只需在冰中加入氯化钠（NaCl），就能让冰的挠曲电系数提升三个数量级。这一发现让我们离“冰能发电”的愿景更近了一步。

隐藏于所有固体中的秘密

挠曲电效应指的是非均匀机械应变与电极化之间的耦合，存在于所有固体中，但通常微弱到难以利用。过去，科学家为了能显著提升挠曲电效应，将目光集中在特殊氧化物、复杂纳米结构或软聚合物上。虽然有所进展，但提升幅度有限。

而最新研究的突破点在于一种最简单的材料——冰。研究人员发现，加入日常食盐后形成的“盐冰”，在弯曲时表现出与高性能压电材料相当的挠曲电效应。研究人员将这种挠曲电效应的增强，归因于“挠曲流电效应”。

冰川学家早已知道，在0°C以下，掺盐的冰晶粒周围会形成只有几纳米厚的盐水薄层，这些薄层交织成复杂的流体网络。当冰板弯曲时，静水压力会把盐水从受压的内表面推向受拉的外表面。反向的弯曲则让盐水倒流，离子分布随之反转。

当冰板向上弯曲时（上图），静水压力会将晶界中的盐水从受压的内侧推向受拉的外侧（红色箭头）。在流动过程中，阳离子（+）与阴离子（-）分离，在冰壁上留下相反的表面电荷。由此产生的电压驱动电子（e⁻）通过外部电路。当冰板反向弯曲时（下图），盐水流动方向、离子分布及外部电流的方向均发生逆转。（图/X. Wen et al. / Nature Materials）

这种由压力驱动的离子流会形成流动电流：离子的运动速度超过了固定在冰壁上的表面电荷，导致净电荷失衡，从而在冰板两侧形成电压。由于这里的挠曲电信号源于流动电流，因此研究人员将这一现象称为挠曲流电效应。

根据模型预测，挠曲电系数会随着盐水层增厚、晶粒变细、盐水黏度降低而增大，而这些条件都会随着盐含量的提升而得到满足。

实验验证：盐冰的电学性能

在实验中，研究人员制作了一系列“盐冰电容器”。他们往冰里加了不同浓度的氯化钠，从0%到25%不等。其中还包括了两个熟悉的配比：0.9%的“生理盐水”和3.5%的“海水”。

这些样品都是由许多小晶粒组成的多晶结构。且实验表明，随着盐分的增加，晶粒会越来越小：纯冰的平均晶粒大小大约是91微米，而在盐分高达25%的盐冰中，晶粒已经缩小到4微米左右。

为了测量盐冰的电性能，研究人员在合适的温度条件下进行了试验。由于于氯化钠–冰系统在−21.1°C以上会变成“半冰半水”的状态，因此所有测试都是在−22℃ ~ −100°C的范围内进行的。

实验测得的结果与预测吻合：在氯化钠浓度为25%、测试温度−22°C的样品中，挠曲电系数达到约3µC/m，比纯冰高出约1000倍，接近工程化挠曲电复合材料的水平。

冰做的发电器件

在进一步的研究中，研究人员把“会发电的盐冰”，转化成了真正的发电器件。他们将盐水冻结成两种形状：一种是截锥体，另一种是细长的弯曲冰梁。

截锥体（上）和细长的弯曲冰梁（下）在被挤压时产生电输出。（图/X. Wen et al. / Nature Materials）

实验结果显示，截锥体在挤压时能产生电信号，而那根弯曲的冰梁表现更为惊人：仅0.7毫米厚的冰梁在弯曲时，就能输出堪比目前最顶级的压电材料所输出的电信号。

更难得的是，它的制作过程极其简单：只需要把盐和水混合，倒进模具里冷冻起来即可。整个过程既不涉及稀缺原料，也不会产生有害废料，成本也非常低。

而且，如果器件破裂了，还可以通过加热融化、重新混合、再次冻结，轻松实现回复如新。

潜在应用与未来展望

研究人员表示，未来，这种“盐冰发电机”有望应用于多个场景。例如，它们为在寒冷极地制造低成本的传感器和能量采集装置提供了可能。

不过，这一突破也仍然面临一些挑战：在使用一段时间后（约10⁵次），其性能会出现衰减，整体输出将会将至原本的1/4。此外，温度是最大的限制：一旦盐水层在低于−70°C的温度下冻结，这种挠曲电效应就会消失。这限制了它在深空的应用。

但值得一提的是，这种“挠曲流电效应”并不仅限于冰。在高温陶瓷、骨骼等许多含液体的多孔材料中，也可能出现类似现象。如果能加以利用，人类就能在更多环境里收集能量。

这项研究让我们看到，原本再普通不过的冰，通过一点点盐的调配，就能变成高性能的“发电机”。这提醒我们：巨大的科学突破，有时就隐藏在最寻常的角落。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02332-5

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02328-1

https://www.nature.com/articles/s41567-025-02995-6

#图片来源：

封面图&首图：Joy Ru / Unsplash