पृथ्वी पर बर्फ लगभग हर जगह है – ग्लेशियरों, बर्फ और बादलों में। इतना सामान्य होने के बावजूद, यह अभी भी अपने भौतिक गुणों के बारे में रहस्यों को छुपाता है।
एक लंबे समय से चली आ रही पहेली इसके विद्युत व्यवहार की चिंता करती है। प्रत्येक पानी का अणु ध्रुवीय होता है, जिसका अर्थ है कि इसका सकारात्मक और नकारात्मक अंत होता है। लेकिन जब पानी साधारण हेक्सागोनल बर्फ (बर्फ IH के रूप में जाना जाता है) में जम जाता है, तो समग्र क्रिस्टल कोई ध्रुवीयता नहीं दिखाता है। इसका कारण यह है कि हाइड्रोजन परमाणु खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं, इसके नियमों में निहित है। प्रत्येक ऑक्सीजन को दो आस -पास के हाइड्रोजन परमाणुओं के साथ बंधन करना चाहिए, लेकिन जाली के पार हाइड्रोजन परमाणुओं के झुकाव यादृच्छिक हैं। यह विकार एक संगठित तरीके से निर्माण से शुल्क को रोकता है और इसके बजाय उन्हें रद्द कर देता है। नतीजतन, ICE क्वार्ट्ज या कुछ सिरेमिक के विपरीत, पीजोइलेक्ट्रिक नहीं है। पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री निचोड़ा जाने पर विद्युत आवेश उत्पन्न करती है; बर्फ नहीं है।
हालाँकि, प्रकृति ने अक्सर एक और कहानी पर संकेत दिया है। थंडरक्लूड्स बिजली का उत्पादन करते हैं जब बर्फ के कणों और ग्रुपेल (नरम जय) से टकराते हैं। दरारें बर्फ की चादरें और हिमस्खलन विद्युत चुम्बकीय फट जाती हैं। स्पष्ट रूप से, तनाव के तहत बर्फ बिजली का उत्पादन कर सकता है, लेकिन भौतिक स्पष्टीकरण अनिश्चित बना हुआ है। पारंपरिक मॉडल ने टकराने वाले कणों के बीच तापमान में ठंड की क्षमता, सतह आयनों या अंतर को लागू किया है। फिर भी ये स्पष्टीकरण अक्सर कम हो गए, तूफानों के अंदर चार्ज परिमाण या ध्रुवीयता उलटफेर के अवलोकन से मेल खाने में विफल रहे।
उच्च दांव
यह वह जगह है जहां फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी की अवधारणा महत्वपूर्ण हो जाती है। Flexoelectricity मैकेनिकल झुकने (तनाव ग्रेडिएंट्स) और इलेक्ट्रिक पोलराइजेशन के बीच सार्वभौमिक युग्मन है। पीज़ोइलेक्ट्रिकिटी के विपरीत, फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी को एक विशेष क्रिस्टल समरूपता की आवश्यकता नहीं होती है: यह किसी भी सामग्री में हो सकता है। जब एक ठोस मुड़ा हुआ होता है, तो असमान रूप से या अन्यथा गैर-समान तरीके से विकृत हो जाता है, चार्ज दिखाई दे सकते हैं। प्रभाव आमतौर पर छोटा होता है, लेकिन यह उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक, जैसे कि सिरेमिक के साथ सामग्रियों में बढ़ सकता है।
क्या यह बर्फ में भी हो सकता है?
यह एक नया अध्ययन है प्रकृति भौतिकीचीन, स्पेन और अमेरिका में टीमों के नेतृत्व में, पता लगाने के लिए सेट किया गया। इस अध्ययन से पहले, किसी ने भी सीधे बर्फ में फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी को मापा नहीं था। इसकी पुष्टि करने की संभावना आकर्षक है। इसका मतलब यह होगा कि बर्फ, जबकि गैर-पीज़ोइलेक्ट्रिक, तुला होने पर विद्युत रूप से सक्रिय है। यह गरज के लिए एक नया भौतिक तंत्र भी सुझाव देगा, जो संभावित रूप से पूरक या यहां तक कि पुराने सिद्धांतों को सही करने के लिए।
दांव वास्तव में उच्च हैं: थंडरस्टॉर्म विद्युतीकरण वायुमंडलीय विज्ञान में सबसे पुरानी अनसुलझी समस्याओं में से एक है। एक सदी से अधिक के लिए, वैज्ञानिकों ने बहस की है कि कैसे बर्फ के कणों को टकराने वाले विशाल विद्युत क्षेत्रों को उत्पन्न करते हैं जो बिजली का उत्पादन करते हैं। इस रहस्य को हल करना मौसम विज्ञान, विमानन सुरक्षा और यहां तक कि जलवायु विज्ञान के लिए आवश्यक है, क्योंकि बिजली वायुमंडलीय रसायन विज्ञान को प्रभावित करती है (और जलवायु परिवर्तन भी है बिजली के हमलों को और अधिक सामान्य बनाना)।
शोधकर्ताओं ने कुछ सवालों के जवाब देने की कोशिश करके पहला व्यवस्थित परीक्षण किया। उनमें से दो थे: क्या बर्फ IH वास्तव में फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक है, और यदि हां, तो इसका गुणांक क्या है? और क्या फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी गरज में बर्फ के कणों के चार्जिंग की व्याख्या कर सकती है?
उनके प्रयोगों और सिमुलेशन ने दोनों मामलों में मजबूत सबूत प्रदान किए।
विसंगतियों की खोज करें
ICE के इलेक्ट्रोमैकेनिकल गुणों का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने ‘ICE कैपेसिटर’ बनाया। उन्होंने अल्ट्रापर को सैंडविच किया, दो धातु इलेक्ट्रोड के बीच पानी गिराया और फिर इसे कुछ मिलीमीटर मोटी पॉलीक्रिस्टलाइन बर्फ के स्लैब बनाने के लिए परिवेश के दबाव में जमना। इलेक्ट्रोड के रूप में काम करने के लिए एल्यूमीनियम फ़ॉइल पर सोने या प्लैटिनम कोटिंग्स को लागू किया गया था। एक्स-रे विवर्तन और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी ने पुष्टि की कि नमूने सामान्य हेक्सागोनल बर्फ चरण (IH) में थे और कुछ विदेशी संस्करण नहीं।
प्रयोग के मूल ने एक गतिशील यांत्रिक विश्लेषक का उपयोग किया। इस डिवाइस ने एक नियंत्रित तीन-बिंदु झुकने वाली गति को लागू किया: बर्फ का स्लैब दो समर्थन पर आराम करता है जबकि एक जांच बीच में नीचे दबा दी गई थी। जैसा कि बर्फ फ्लेक्स किया गया था, शोधकर्ताओं ने यांत्रिक विस्थापन और परिणामस्वरूप विद्युत आवेशों दोनों को मापा। इलेक्ट्रोड से जुड़े एक चार्ज एम्पलीफायर ने संकेतों पर कब्जा कर लिया, जबकि एक आस्टसीलस्कप ने डेटा को सिंक्रनाइज़ किया। तनाव ग्रेडिएंट्स और ध्रुवीकरण के बीच संबंधों का विश्लेषण करके, उन्होंने फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक गुणांक को निकाला – एक संख्या जो कहती है कि कितनी अच्छी तरह से दृढ़ता से झुकने वाली बर्फ चार्ज का उत्पादन करती है।
माप 143 K से 273 K तक एक विस्तृत तापमान सीमा पर आयोजित किए गए थे। इसने टीम को चरण संक्रमण या सतह के प्रभावों से जुड़ी विसंगतियों की तलाश करने की अनुमति दी। समानांतर में, उन्होंने प्रदर्शन किया ए कोल्ड स्वेट हॉट – हेयडेड बिलिवर क्वांटम मैकेनिकल सिमुलेशन यह बताने के लिए कि कैसे बर्फ-पानी अलग-अलग धातुओं के साथ बर्फ, प्लैटिनम, एल्यूमीनियम-प्रभावित सतह के आदेश को प्रभावित करता है। इन गणनाओं ने प्रयोगात्मक विसंगतियों को समझाने में मदद की।
अंत में, टीम ने आंधी में बर्फ-ग्रेपल टकराव के लिए एक सैद्धांतिक मॉडल का निर्माण किया। शास्त्रीय संपर्क यांत्रिकी और उनके मापा फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक गुणांक का उपयोग करते हुए, उन्होंने कणों के बीच टकराव के दौरान संभव चार्ज पृथक्करण की मात्रा की गणना की। उन्होंने तूफान जैसी स्थितियों में बर्फ के चार्ज पर दशकों के प्रयोगशाला डेटा के साथ अपनी भविष्यवाणियों की तुलना की।
परिणाम हड़ताली थे। सबसे पहले, टीम ने पहली बार दिखाया कि बर्फ वास्तव में फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक है। 203 K और 248 K के बीच, प्रभावी फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक गुणांक लगातार 1.01-1.27 नैनोकोलोम्ब्स प्रति मीटर के आसपास था। यह एक तुच्छ मूल्य नहीं है: यह अच्छी तरह से अध्ययन किए गए ढांकता हुआ सिरेमिक जैसे स्ट्रोंटियम टाइटनेट और लीड जिरकोनेट के बराबर है। दूसरे शब्दों में, बर्फ, लंबे समय से इलेक्ट्रोमैकेनिक रूप से निष्क्रिय माना जाता है, जब तुला हुआ तो महत्वपूर्ण विद्युत ध्रुवीकरण का उत्पादन कर सकता है।
छिपा हुआ आश्चर्य
मौसम विज्ञान के लिए महत्वपूर्ण रूप से, टीम ने दिखाया कि बर्फ फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी गरज में एक प्रमुख भूमिका निभा सकती है। टक्कर-प्रेरित ध्रुवीकरण की उनकी गणना बर्फ-ग्रेपेल प्रभावों के पिछले प्रयोगशाला अध्ययनों में मापे गए आवेशों की सीमा से मेल खाती है। इसके अलावा, मॉडल ने स्वाभाविक रूप से गरज के विद्युतीकरण की गूढ़ सुविधाओं को समझाया, जैसे कि तापमान के साथ चार्ज ध्रुवीयता का उलट। जब फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक गुणांक सकारात्मक होता है, तो ग्रेपेल नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाता है; जब यह उच्च तापमान पर नकारात्मक हो जाता है, तो ध्रुवीयता उलट जाती है। इसने गरज के साथ ट्रिपल संरचनाओं के अवलोकन का मिलान किया, जहां विपरीत आरोपों के क्षेत्र सह -अस्तित्व के क्षेत्र हैं।
शोधकर्ताओं ने चेतावनी दी कि फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी हालांकि एकमात्र तंत्र होने की संभावना नहीं है। तूफान विद्युतीकरण जटिल है, जिसमें सतह आयन, पिघलने, फ्रैक्चर और अशुद्धियां शामिल हैं। फिर भी फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी सार्वभौमिक है: किसी भी अमानवीय विरूपण को इसका उत्पादन करना चाहिए। इसने गरज के चार्ज करने के लिए एक मजबूत योगदानकर्ता बना दिया, बस केवल एक ही नहीं। उनके काम ने संभावित रूप से एक सदी पुरानी पहेली में एक बड़ा नया टुकड़ा जोड़ा है।
इस प्रकार अध्ययन ने बर्फ की हमारी समझ को बदल दिया हो सकता है। इससे पता चला कि साधारण बर्फ IH, पीज़ोइलेक्ट्रिकिटी की कमी के बावजूद, सिरेमिक के समान एक ताकत के साथ फ्लेक्सोइलेक्ट्रिक है। और यह प्रस्तावित है कि फ्लेक्सोइलेक्ट्रिसिटी गरज के कणों के चार्जिंग के लिए एक प्राकृतिक, मात्रात्मक तंत्र प्रदान करती है, संभवतः यह बताने में मदद करती है कि बिजली कैसे पैदा होती है।
अंत में, ऐसा लगता है कि सबसे परिचित सामग्री, पानी की बर्फ, अभी भी आश्चर्य को छिपाती है। एक स्नोफ्लेक केवल जमे हुए पानी नहीं है: झुकने और टकराव के तहत, यह एक छोटे जनरेटर की तरह व्यवहार कर सकता है। और तूफान के बादलों के अशांत नृत्य में, ये माइनसक्यूल जनरेटर आसमान को हल्का कर सकते हैं।
