Nečekaný objev: Vědci konečně odhalili, jak vznikají blesky. Může za to led

Tajemství blesků konečně odhaleno?

Vznik blesku byl pro vědu dlouhodobou hádankou. Vědci sice věděli, že led hraje v tomto procesu klíčovou roli, ale přesný mechanismus jim unikal. Bouřky vznikají při setkání výstupných proudů teplé vody s klesajícími proudy nesoucími led a kroupy. 

Když se voda zmrazí a uvolní teplo, nabije se kladně, zatímco kroupy se změkčí a při srážce s vodou se nabijí záporně.
Tyto oddělené skupiny kladných a záporných částic vytvářejí elektrická pole, která se zesilují, dokud nenakumulují dostatečný náboj k překonání izolačních vlastností atmosféry. Výsledkem je blesk.

Proč byl led dosud záhadou?

Hlavní problém spočíval v tom, že led není piezoelektrický materiál na rozdíl od některých krystalů a dalších látek, které při úderu uvolňují elektrický náboj. Jak tedy může led v bouřkových mracích vytvářet elektřinu?

Odpověď přinesli výzkumníci z Barcelonského institutu pro nanovědu a technologie společně s kolegy z univerzit ve Stony Brook a Si-an Ťiao-tchung. Ve své studii publikované v prestižním časopise Nature prokázali, že led může vykazovat flexoelektrické vlastnosti při ohýbání.

Co je to flexoelektřina?

Flexoelektřina je schopnost materiálu generovat elektrický náboj při deformaci způsobené ohýbáním. Na rozdíl od piezoelektřiny, která vyžaduje tlak, funguje flexoelektřina při zakřivení materiálu. Tento efekt je teoreticky možný u všech materiálů díky vazbě mezi polarizací a gradientem napětí.

Výzkumníci zjistili, že flexoelektrické vlastnosti ledu jsou srovnatelné s těmi u nejlepších elektrokeramických materiálů jako oxid titaničitý nebo titaničitan strontnatý. Toto zjištění bylo překvapením, protože led je obecně považován za nepolární materiál.

Nečekaný objev při jiném výzkumu

Zajímavé je, že tento průlom vznikl při úplně jiném výzkumu. Vědci původně pracovali na vývoji levných převodníků energie pro chladné nebo odlehlé oblasti. Při měření však narazili na neočekávané elektrické vlastnosti ledu.

Hustota náboje naměřená v experimentech překvapivě odpovídá náboji pozorovanému při srážkách ledu v bouřkových mracích. To naznačuje, že flexoelektřina ledu může být klíčovou při vzniku blesku.

Ferroelektrická fáze jako bonus

Při detailním zkoumání vědci odhalili ještě jeden překvapivý fenomén. Citlivost flexoelektrických měření na povrchové podmínky odhalila ferroelektrickou fázovou přeměnu okolo -113°C, která se vyskytuje v blízkosti povrchu ledových desek. Toto zjištění má význam nejen pro porozumění vzniku blesku, ale také pro potenciální aplikace v elektrotechnice.

Nové poznatky o flexoelektrických vlastnostech ledu mohou vést k vývoji inovativních elektrických komponent a převodníků energie přímo v chladných lokalitách. Představte si možnost vyrobit si elektrické součástky přímo ze zmrzlé vody na místě, kde je potřebujete.

Kromě technických aplikací tento objev přispívá k lepšímu pochopení přírodních jevů. Mohli bychom konečně pochopit, proč některé bouře produkují více blesků než jiné, nebo proč bouře bez velkého množství ledu obvykle neprodukují blesky vůbec.

Zdroj: Nature, National Oceanic and Atmospheric Administration, TechSpot

Mars jako nový domov: lidé tam budou vypadat úplně jinak