Nat. Mater.：申勝平教授團隊發現鹽冰中的撓曲流電效應

探索可再生、可持續且低成本的能源，是當今社會最迫切的挑戰之一。水能自古以來便被廣泛利用，從水車和水力發電，再到近年來的“水伏”技術。相比之下，盡管地球表面約有10%被冰覆蓋，“冰能”卻長期未被利用。雖然研究表明冰具有撓曲電效應（即在非均勻變形下產生電極化），但純冰的撓曲電系數僅在1–10 nC/m量級，遠不足以支撐實際的力-電能量轉換。因此，提升冰的撓曲電系數是實現冰能設想的關鍵。

西安交通大學力化學耦合與智能介質實驗室及合作者發現，向冰中摻雜鹽可使撓曲電系數提升約三個量級，并揭示其機理為彎曲變形下鹽離子沿晶界輸運產生電流。這一發現使開發冰能的愿景更進一步，同時也為理解木衛二（Europa）、土衛二（Enceladus）等冰封海洋世界的電學活動提供了新的線索。北京時間2025年9月15日，相關研究成果以“Streaming Flexoelectricity in Saline Ice”為題在線發表于Nature Materials，并被選為該期的封面論文。同時Nature Materials邀請韓國浦項工科大學Daesu Lee教授以“Salt turns ice into a powerful flexoelectric material”為題撰寫了News & Views觀點文章，對該論文進行了專題評論。這是繼該團隊近期在Nature Physics上報道冰的撓曲電性與表面鐵電性之后取得的又一重要進展。

自然界中的冰往往含有雜質，因此研究摻雜效應是一個合理的切入點。本研究選擇了最常見的溶質氯化鈉（NaCl）。NaCl自身的撓曲電系數為~10?3nC/m，遠低于冰，因此若摻雜僅是二者各自撓曲電極化的簡單疊加，則意義有限。幸運的是，水冰體系往往不遵循簡單的線性疊加規律，而會涌現出更復雜的現象。在多晶冰中，晶界因預融化效應而被納米級厚度的準液體層所潤濕；而在結冰過程中，鹽離子因難以進入冰晶格而被排擠至晶界，從而進一步強化預融化效應，拓寬并增多晶界通道。由此，多晶鹽冰既保有穩固的固體框架，又形成貫通的納米輸運網絡。當發生彎曲時，預融化鹽水層沿晶界從受壓側被擠向受拉側（圖1a,b）。由于冰–水界面存在電雙層結構（圖1c），這一輸運過程將攜帶凈電荷，從而產生電流。研究團隊將這一機理命名為“撓曲流電效應”。

圖1.撓曲流電效應的多尺度機理示意圖。a，多晶鹽冰梁，其晶界因預融化效應被潤濕。彎曲驅動晶界鹽水層流動而產生可測電流; b，晶界液體通道放大示意圖。灰色、黑色和紅色箭頭分別表示壓力、泊肅葉型流動、凈電荷遷移; c，界面電雙層結構放大示意圖。電流的產生源于攜帶凈電荷的擴散層（diffuse layer）相對于緊密吸附的Stern層發生剪切移動

研究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，等效撓曲電系數隨鹽度增加顯著升高（圖2a,b）：在25 wt%時達到約3 μC/m，較純冰高約三個數量級。基于圖1所示機理，團隊建立了理論模型，并推導出等效撓曲電系數的解析表達式：

其中，Y為楊氏模量，f為加載頻率，ξ和η分別為鹽水介電常數和黏度，d為通道寬度，g為晶粒尺寸，

圖2.鹽冰的增強撓曲電效應。a，不同鹽度下電極化與應變梯度的關系及其線性擬合；b，撓曲電系數隨鹽度變化，實驗結果與理論預測吻合。插圖展示了晶粒尺寸和準液體層（QLL）厚度隨鹽度的變化。實驗條件：?22 °C、1 Hz

如何區分撓曲流電效應與常規撓曲電效應？首先可以通過頻率。撓曲流電效應依賴于界面液體的長程輸運，弛豫時間較長，表現為

圖3.撓曲電效應與撓曲流電效應的區分特征。a，等效撓曲電系數和頻率倒數的關系（T=–22 °C）。黑色虛線為斜率為1的參考線; b，等效撓曲電系數隨溫度的變化（f= 1 Hz）。兩幅插圖表示液體通道網絡在低溫下凍結

闡明機理后，研究團隊初步探索了應用潛力。賓夕法尼亞州立大學Cross教授曾提出基于撓曲電效應設計無鉛壓電復合材料的方案，其核心在于引入結構非對稱性，將壓縮載荷轉化為應變梯度。受此啟發，研究團隊基于鹽冰制備了圓臺和撓曲型梁兩類典型結構（圖4a,b），并測量了其等效壓電系數

圖4.通過結構設計使鹽冰具有等效壓電性。a, b，圓臺和撓曲型梁在壓縮下產生應變梯度；c, d，等效壓電系數隨結構非對稱性（c）和梁厚度（d）的變化。NaCl質量分數25 wt %

最后，力控微納米通道的輸運行為在自然界中并不罕見——從骨修復過程中的流動電位，到跨細胞膜的機械離子通道（2021年諾貝爾生理學或醫學獎）均為典型例證。鹽冰體系的獨特之處在于：固體骨架與液體介質皆為H?O，界面處的H?O分子預融化為準液體層，由此自發形成可隨溫度重構的固液界面。考慮到自然界的冰幾乎總含雜質，這一自發過程意味著撓曲流電效應可能具有深遠意義。例如，它可能參與雷暴云中冰–霰碰撞的帶電過程——研究團隊在前期工作中基于純冰的本征撓曲電性進行了分析，目前看來這一貢獻可能被低估。將目光投向太空，僅太陽系就存在多個冰衛星。以木衛二為例，其表面被一層含鹽冰殼覆蓋，下方則是廣闊的咸水海洋，它被視為最可能孕育生命的地外天體之一。此時此刻，NASA的“Clipper”號探測器正奔赴木衛二，肩負著評估其生命宜居性的使命。已有研究推測，冰殼在受到隕石撞擊、潮汐力和構造活動時產生的電能或許能為生命提供潛在能量來源。將此處的電能歸因于撓曲（流）電效應或許為時尚早，但這些關聯無疑為理解冰電能的宇宙學意義提供了新的線索。

三位審稿人均對此工作給予了高度評價。一位直接建議接收，另一位評述到：“This work expands potential methods for harvesting energy from Earth's water resources and could inspire researchers to explore similar streaming flexoelectric effects in other materials. It holds significant scientific value and promising application prospects.”（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）；

還有一位則指出：“This manuscript presents a highly intriguing and significant study on the discovery of giant streaming flexoelectricity in saline ice. The concept of streaming flexoelectricity is fascinating, especially its broader implications in biological and environmental contexts.“（這份稿件展示了一項極具吸引力且意義重大的研究，報道了在鹽冰中發現的巨撓曲流電效應。這一概念引人入勝，尤其在更廣泛的生物與環境背景下具有重要意義）。

西安交通大學博士畢業生文馨（現為加泰羅尼亞納米科技研究所博士后）、西安交通大學博士研究生馬謙謙為論文共同第一作者；麥吉爾大學博士后劉靜冉、加泰羅尼亞納米科技研究所博士研究生Umair Saeed參與了論文的相關工作；文馨博士、西安交通大學申勝平教授、加泰羅尼亞納米科技研究所Gustau Catalan教授為論文共同通訊作者。西安交通大學航天航空學院/復雜服役環境重大裝備結構強度與壽命全國重點實驗室為論文第一單位。該研究得到了111計劃、國家自然科學基金委重大項目、國家自然科學基金青年學生基礎研究項目（博士研究生）的資助。

論文鏈接：

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

News & Views專題評論鏈接:

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