¿Cómo se forman los rayos?: el hielo genera electricidad al doblarse

Un equipo internacional de físicos ha demostrado por primera vez que el hielo es un material flexoeléctrico, lo que significa que puede producir electricidad al someterse a deformación mecánica.

Publicado en Nature Physics, este descubrimiento podría tener importantes implicaciones para el desarrollo de futuros dispositivos tecnológicos y ayudar a explicar fenómenos naturales como la formación de rayos en tormentas eléctricas, según los autores, de las universidades de Xi'an, Stony Brook y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2).

El agua congelada es una de las sustancias más abundantes en la Tierra. Se encuentra en glaciares, picos de montañas y casquetes polares. Aunque es un material bien conocido, el estudio de sus propiedades continúa arrojando resultados fascinantes, según los autores de la investigación..

"Descubrimos que el hielo genera carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica a todas las temperaturas. Además, identificamos una fina capa ferroeléctrica en la superficie a temperaturas inferiores a -113 °C (160 K)", explica el Dr. Xin Wen, miembro del Grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2 y uno de los investigadores principales del estudio.

"Esto significa que la superficie del hielo puede desarrollar una polarización eléctrica natural, que puede invertirse al aplicar un campo eléctrico externo, de forma similar a cómo se invierten los polos de un imán. La ferroelectricidad superficial es un descubrimiento fascinante en sí misma, ya que significa que el hielo podría tener no solo una forma de generar electricidad, sino dos: ferroelectricidad a temperaturas muy bajas y flexoelectricidad a temperaturas más altas, hasta 0 °C".

Esta propiedad sitúa al hielo a la par de materiales electrocerámicos como el dióxido de titanio, que actualmente se utilizan en tecnologías avanzadas como sensores y condensadores.

HIELO, FLEXOELECTRICIDAD Y TORMENTAS ELÉCTRICAS

Uno de los aspectos más sorprendentes de este descubrimiento es su conexión con la naturaleza. Los resultados del estudio sugieren que la flexoelectricidad del hielo podría influir en la electrificación de las nubes durante las tormentas eléctricas y, por lo tanto, en el origen de los rayos, informa el ICN2 en un comunicado.

Se sabe que los rayos se forman cuando se acumula un potencial eléctrico en las nubes debido a las colisiones entre partículas de hielo, que se cargan eléctricamente. Este potencial se libera posteriormente en forma de rayo. Sin embargo, el mecanismo por el cual las partículas de hielo se cargan eléctricamente no se ha esclarecido, ya que el hielo no es piezoeléctrico; no puede generar carga simplemente comprimiéndose durante una colisión.

No obstante, el estudio demuestra que el hielo puede cargarse eléctricamente cuando se somete a deformaciones no homogéneas, es decir, cuando se dobla o deforma de forma irregular.

"Durante nuestra investigación, se midió el potencial eléctrico generado al doblar un bloque de hielo. En concreto, el bloque se colocó entre dos placas metálicas y se conectó a un dispositivo de medición. Los resultados coinciden con los observados previamente en colisiones de partículas de hielo durante tormentas eléctricas", explica el profesor Gustau Catalán, líder del Grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2.

ORIGEN DE LOS RAYOS

Por lo tanto, los resultados sugieren que la flexoelectricidad podría ser una posible explicación de la generación del potencial eléctrico que da lugar a los rayos durante las tormentas.

Los investigadores del grupo ya están explorando nuevas líneas de investigación destinadas a explotar estas propiedades del hielo para aplicaciones prácticas.

Aunque aún es pronto para analizar posibles soluciones, este descubrimiento podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos que utilicen hielo como material activo, que podrían fabricarse directamente en entornos fríos, según los autores.