UAB kampüsündeki ICN2 (Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia), Xi’an Jiaotong Üniversitesi ve Stony Brook Üniversitesi’nden oluşan bir ekip, ‘normal buzun fleksoelektrik özellik gösterdiğini’ ilk kez deneysel olarak kanıtladı. Çalışma, buzun mekanik olarak büküldüğünde veya düzensiz deforme edildiğinde elektrik yükü üretebildiğini ortaya koyuyor. Ekip, ayrıca –113°C’nin (160 K) altında buz yüzeyinde tersine çevrilebilir doğal polarizasyona sahip ince bir ‘ferroelektrik tabaka’ tespit etti. Böylece buzda yük üretimi için iki farklı yol tanımlandı: yüksek sıcaklıklara (0°C’ye) kadar fleksoelektriklik ve çok düşük sıcaklıklarda yüzey ferroelektriği.
İKİLİ ELEKTRİK MEKANİZMASI
Çalışmanın yürütücülerinden Dr. Xin Wen (ICN2 Oksit Nanofizik Grubu), bulguların özünü, buzun ‘tüm sıcaklıklarda mekanik strese elektrikle karşılık verdiği’ ve 160 K’nin altında yüzeyde ferroelektrik düzen geliştirdiği şeklinde özetliyor. Bu ikili davranış, buzu titanyum dioksit gibi elektroseramiklerle aynı sınıfa yaklaştırıyor; ancak doğada bol, biyouyumlu ve çevresel koşullarda var olan bir malzeme olarak buz, soğuk ortamlarda üretilebilecek sensörler, kapasitörler ve yüzey elektroniği için benzersiz fırsatlar sunuyor.
FIRTINALARA YENİ AÇIKLAMA
Bulgular, fırtına bulutlarında elektrik yükünün birikimi ve yıldırım oluşumu için de yeni bir mekanizma öneriyor. Klasik açıklamalar buz parçacıkları arasındaki çarpışmaların potansiyel farkı büyüttüğünü söyler; ancak buz piezoelektrik olmadığı için sıkıştırma ile yük üretimi net değildi. Ekip, homojen olmayan deformasyonlarda (bükülme, burkulma) buzun fleksoelektrik olarak yüklenebildiğini göstererek bu boşluğu dolduruyor. Prof. Gustau Catalán (ICN2 Oksit Nanofizik Grubu lideri), laboratuvarda iki metal plaka arasında bükülen buz bloklarında ölçülen elektrik potansiyelinin, fırtınalarda raporlanan gözlemlerle uyumlu olduğunu belirtiyor.
LABORATUVAR KURGU ÖLÇÜM
Deney düzeneğinde, buz bloğu iletken plakalar arasına yerleştirilip mekanik bükülmeye maruz bırakıldı. Ölçüm cihazı ile indüklenen potansiyel farkı gerçek zamanlı izlendi. Bu düzenek, bükülmenin şiddeti ve geometriyle elektrik yanıtı arasındaki ilişkiyi nicel olarak ortaya koydu. Böylece fleksoelektrik kökenli yük üretimi doğrudan gösterilmiş oldu. Ekip, yüzey ferroelektriğinin ise harici alanla tersine çevrilebilen bir polar yapı oluşturduğunu, bunun da buzun elektromekanik cevabını iki eksende zenginleştirdiğini aktarıyor.
TEKNOLOJİK UYGULAMA İMKANI
Araştırmacılar, buzun bu ikili elektrik üretim kapasitesini mühendisliğe taşımak için yeni prototipler üzerinde çalışıyor. Hedefler arasında, soğuk iklimlerde yerinde üretilebilecek çevresel sensörler, düşük frekanslı mekanik titreşimlerden enerji toplayıcı yüzeyler, hatta geçici/eğilip bükülebilir kriyo-elektronik bileşenler bulunuyor. Ekip, doğrudan soğuk ortamlarda imal edilebilen buz tabanlı aktif cihazlar fikrinin, saha koşullarına uygun düşük maliyetli bir elektronik ekosistemi mümkün kılabileceğini vurguluyor.
