น้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้ นักวิจัยพบ
อย่าเล่นกับน้ำแข็ง! เมื่อถูกกดดัน น้ำแข็งก็สามารถสร้างประกายไฟได้จริงๆ
นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าน้ำแข็งธรรมดาๆ นั้นมีคุณสมบัติทางกลไฟฟ้าที่น่าทึ่ง น้ำแข็งมีความสามารถในการสร้างกระแสไฟฟ้าเมื่อถูกงอ ยืด หรือบิดตัว ตามงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Nature Physics เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้นคือ คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แปลกประหลาดของน้ำแข็งดูเหมือนจะเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ทำให้นักวิจัยสงสัยว่าน้ำแข็งซ่อนอะไรไว้อีกบ้าง
Xin Wen หัวหน้าทีมวิจัยและนักฟิสิกส์นาโนแห่ง Institut Catala de Nanociencia i Nanotecnologia ในสเปน กล่าวว่า งานวิจัยนี้เปลี่ยน “วิธีที่เรามองน้ำแข็ง จากวัสดุเฉื่อยๆ กลายเป็นวัสดุที่สามารถทำงานได้ ซึ่งอาจมีบทบาทสำคัญในทั้งหลักการพื้นฐานและการใช้งาน”
ความลึกลับที่ยังไม่คลี่คลายในวงการเคมีโมเลกุลคือ เหตุใดโครงสร้างของน้ำแข็งจึงป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ piezoelectricity โดย piezoelectricity หมายถึง การสร้างประจุไฟฟ้าเมื่อความเค้นทางกลเปลี่ยนแปลงความเป็นขั้วโดยรวม หรือโมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าของของแข็ง
โมเลกุลของน้ำที่ประกอบเป็นผลึกน้ำแข็งมีขั้ว แต่เมื่อโมเลกุลเหล่านี้จัดเรียงตัวเป็นผลึกหกเหลี่ยม การจัดเรียงทางเรขาคณิตจะกำหนดทิศทางไดโพลของโมเลกุลน้ำเหล่านี้แบบสุ่ม ส่งผลให้ระบบสุดท้ายไม่สามารถสร้าง piezoelectricity ได้
อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีว่า น้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้ ตามธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น ฟ้าผ่าที่เกิดจากการชนกันของอนุภาคน้ำแข็งที่มีประจุ เนื่องจากน้ำแข็งดูเหมือนจะไม่ใช่ piezoelectric นักวิทยาศาสตร์จึงสับสนว่าอนุภาคน้ำแข็งมีประจุได้อย่างไรตั้งแต่แรก
นักวิจัยระบุในเอกสารว่า “แม้จะมีความสนใจอย่างต่อเนื่องและความรู้มากมายเกี่ยวกับน้ำแข็ง แต่ ระยะใหม่และคุณสมบัติที่ผิดปกติยังคงถูกค้นพบ” พร้อมเสริมว่าช่องว่างความรู้ที่ไม่น่าพอใจนี้บ่งชี้ว่า “ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวัสดุที่มีอยู่ทั่วไปนี้ยังไม่สมบูรณ์”
โชคดีที่วิทยาศาสตร์ชอบที่จะแบ่งแนวคิดพื้นฐานออกเป็นส่วนๆ ไฟฟ้าก็ไม่มีข้อยกเว้น ดังนั้นนักวิจัยจึงตัดสินใจตรวจสอบ “ประเภท” ต่างๆ ของไฟฟ้า
เรขาคณิตเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดในการทำความเข้าใจพฤติกรรมทางไฟฟ้าที่สังเกตได้ของน้ำแข็ง ดังนั้นทีมงานจึงเลือกใช้ flexoelectricity ซึ่งสามารถ “มีอยู่ในวัสดุที่มีความสมมาตรใดๆ ก็ได้” พวกเขาอธิบาย
สำหรับการทดลอง พวกเขาได้วางแผ่นน้ำแข็งไว้ระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว พร้อมกับยืนยันว่าไฟฟ้าที่เกิดขึ้นไม่ได้มาจาก piezoelectricity การงอแผ่นน้ำแข็งทำให้เกิดประจุไฟฟ้า และเกิดขึ้นในทุกอุณหภูมิ สิ่งที่พวกเขาไม่คาดคิดคือ ชั้น ferroelectric บางๆ ที่ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของแผ่นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า -171.4 องศาฟาเรนไฮต์ (-113 องศาเซลเซียส)
Wen อธิบายใน ถ้อยแถลง ว่า “นี่หมายความว่าพื้นผิวของน้ำแข็งสามารถพัฒนาโพลาไรเซชันไฟฟ้าตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถกลับด้านได้เมื่อใช้สนามไฟฟ้าภายนอก เช่นเดียวกับที่ขั้วของแม่เหล็กสามารถพลิกกลับได้”
ที่น่าแปลกใจคือ “น้ำแข็งอาจไม่ได้มีแค่วิธีเดียวในการสร้างกระแสไฟฟ้า แต่อาจมีถึงสองวิธี ได้แก่ ferroelectricity ที่อุณหภูมิต่ำมาก และ flexoelectricity ที่อุณหภูมิสูงกว่าจนถึง 0 องศาเซลเซียส” Wen กล่าวเสริม
นักวิจัยกล่าวว่าการค้นพบนี้มีประโยชน์และให้ข้อมูล ประการแรก การ “พลิก” ระหว่าง flexoelectricity และ ferroelectricity ทำให้น้ำแข็ง “อยู่ในระดับเดียวกับวัสดุ electroceramic เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ ซึ่งปัจจุบันใช้ในเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น เซ็นเซอร์และตัวเก็บประจุ”
สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนกว่าคือ การเชื่อมโยงการค้นพบนี้กับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พายุฝนฟ้าคะนอง ตามเอกสารนี้ ศักย์ไฟฟ้าที่เกิดจาก flexoelectricity ในการทดลองนั้นใกล้เคียงกับพลังงานที่เกิดจากอนุภาคน้ำแข็งที่ชนกันเป็นอย่างมาก อย่างน้อยที่สุด flexoelectricity ควรมีส่วนร่วมในวิธีที่อนุภาคน้ำแข็งมีปฏิสัมพันธ์กันภายในเมฆฝนฟ้าคะนอง
Wen กล่าวว่า “ด้วยความรู้ใหม่เกี่ยวกับน้ำแข็งนี้ เราจะกลับไปทบทวนกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับน้ำแข็งในธรรมชาติ เพื่อดูว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งยวดอื่นใดของ flexoelectricity ของน้ำแข็งที่ถูกมองข้ามไปตลอดทางหรือไม่”
นักวิจัยยอมรับว่าข้อสรุปทั้งสองจะต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม การค้นพบนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับสิ่งที่เราพบเห็นได้ทั่วไปอย่างเช่นน้ำแข็ง และแสดงให้เห็นว่ายังมีอะไรอีกมากมายที่เราต้องเรียนรู้เกี่ยวกับโลกของเรา
น้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้
ทำไมน้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้ถึงเป็นเรื่องน่าสนใจ
การค้นพบนี้ไม่ใช่แค่เรื่องทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจเท่านั้น แต่ยังมีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีต่างๆ ในอนาคตอีกด้วย ลองจินตนาการถึงเซ็นเซอร์ที่ใช้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของน้ำแข็ง หรือการใช้ประโยชน์จากพลังงานที่เกิดจากพายุฝนฟ้าคะนอง แนวคิดเหล่านี้อาจดูเหมือนเป็นเรื่องไกลตัวในตอนนี้ แต่การค้นพบนี้เป็นการเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ใหม่ ๆ ที่เราอาจไม่เคยคิดถึงมาก่อน
การค้นพบว่า น้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้ ถือเป็นก้าวสำคัญในการทำความเข้าใจคุณสมบัติของน้ำแข็ง และอาจนำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นในอนาคต
หากคุณสนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ น้ำแข็งอัดแล้วสร้างไฟฟ้าได้ สามารถศึกษาเพิ่มเติมจากงานวิจัยต้นฉบับและบทความอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องได้