科學周刊 | 冰里“加鹽” 發電能力提升近千倍

非凡的科學效應，往往藏在最平凡的材料里。近期，西安交通大學申勝平教授帶領的研究團隊帶來了令人驚喜的科學成果——向冰里“加鹽”，能讓冰的發電能力提升近千倍。其奧秘在于，當冰被彎曲時，鹽離子會沿著冰的晶界“奔跑”并形成電流。為了解其中的奧秘，近日，華商報大風新聞記者專訪了申勝平教授團隊成員、論文的共同第一作者西安交通大學航天航空學院博士研究生馬謙謙。

>>科學成果

好比賦予了冰一套毛細血管系統

水作為一種傳統能源，自古便為人類所用。然而，水的另一種形態“冰”，卻長期處于未被開發利用的狀態。已有研究發現，冰在非均勻變形下可產生電極化現象，即撓曲電效應。但純冰的撓曲電系數僅為1-10納庫侖每米量級，難以提供有效的力-電能量轉換。因此顯著提升冰的撓曲電系數，成為實現“冰能”利用的關鍵。

西安交通大學教授申勝平帶領的研究團隊提供了一種巧妙策略——向冰里“加鹽”。他們發現，這能讓冰的發電能力提升近千倍。其奧秘在于，當冰被彎曲時，鹽離子會沿著冰的晶界“奔跑”并形成電流。這項近期發表于《自然-材料》的研究，不僅讓冰能源開發更進一步，還刷新了人們對木衛二等冰封海洋世界電學活動的理解。

實驗發現，當鹽水凍結時，鹽離子因鹽析效應被排至冰晶界處，形成納米尺度的準液體鹽水層。該結構使鹽冰在宏觀上保持固態，內部卻形成了貫通的三維離子輸運網絡。彎曲冰梁會像擠壓濕海綿一樣使界面處的鹽水沿晶界從受壓區定向流向受拉區。由于界面雙電層的作用，這種流動攜帶凈電荷，從而產生電流。團隊將這一機制命名為“撓曲流電效應”。

“這好比賦予了冰一套毛細血管系統。彎曲一次，就像心臟搏動一次，驅動帶電液體完成一次循環。冰本身沒有心臟，但我們通過摻雜鹽，激活了它內在的輸運網絡。”申勝平解釋。

>>專訪問答

“加鹽”的冰就像裝上了離子小水管

華商報：小時候我們都玩過摩擦毛衣吸引小紙片的游戲。聽起來，您這項研究有點像“冰的摩擦發電”，能不能用一個最生活化的比喻告訴我們，冰是怎么發電的？

馬謙謙：我們小時候摩擦毛衣，毛衣和頭發之間的電子發生轉移，就能吸起小紙片；這叫“摩擦起電”。而冰發電不是靠摩擦，是靠“彎”。當一塊冰被彎曲時，它內部的正電和負電中心會發生微小的錯位，產生電勢差。這個現象叫“撓曲電效應”。更有趣的是，如果冰里混入一點鹽，這種“彎曲發電”的能力就會被放大上千倍。因為鹽讓冰的晶粒之間多出了一些微小的“液體通道”，當冰受力彎曲時，里面的離子會流動，就像小小的水流帶著電荷奔跑，從而產生電流。所以你可以想象一塊被“加鹽”的冰，就像裝上了離子小水管，一彎，它就形成電流。

“純冰”的威力不容小覷

華商報：這個聽起來很神奇。但在“加鹽”之前，普通的冰幾乎不怎么發電，對嗎？它的“短板”在哪兒？

馬謙謙：是的，普通冰確實“發電能力”很弱。我們測量過，純冰的撓曲電系數大約只有幾個納庫侖每米，這個信號非常微弱。原因在于冰的分子結構太規整了——每個水分子都被牢牢固定在氫鍵網絡中。這種完美的對稱性導致它沒有“壓電性”，也就是說，單純擠它、壓它，并不會產生電，只有“撓曲電效應”能讓它在受彎曲時產生一點電，像一位“沉默寡言”的能量儲藏者——內部明明有電荷，卻幾乎不開口“說話”。不過，這并不意味著純冰就毫無用處。在自然界中，冰晶的“彎曲發電”效應雖然微弱，卻能產生了驚人的影響。我們知道，雷暴云內部充滿了大小不一的冰粒。小冰晶隨氣流上升，大霰粒則在重力作用下下降，它們在云中不斷碰撞。每一次撞擊、變形、彎曲，都會讓這些冰粒產生微小的電荷分離，而當這種“撓曲電效應”在云層中億萬次疊加時，就能累積出足夠大的電勢差——最終引發我們熟悉的閃電。所以，雖然冰在實驗室里“低調”，但在天空中，它卻是制造雷電的“幕后推手”之一。我們的研究也首次證明，冰的撓曲電性確實可以解釋雷暴云中電荷積累的關鍵過程——這讓科學家更接近理解“閃電從何而來”這個古老的問題。

鹽為何成為發電的“超級助攻手”

華商報：鹽到底起了什么作用？為什么它成了發電的“超級助攻手”？

馬謙謙：當我們往水里加鹽，再凍結成鹽冰后，鹽離子很難進入冰晶內部，于是它們會被“擠”到晶粒之間，形成只有幾個納米厚的“鹽水層”。這層薄薄的液體就像微型的高速公路，遍布在鹽冰的各個角落，里面的鹽離子能在很低的溫度下自由移動。當冰被彎曲時，壓力會讓這些離子在高速公路上跑起來，運動的離子就形成了電流。這是一種全新的機制，我們稱之為“撓曲流電效應”。和前面所說的傳統的彎曲生電不同，鹽冰的電是靠離子在液體層中“流”出來的。

“鹽冰”彎曲時內部經歷了什么

華商報：當一塊“鹽冰”彎曲時，它的內部到底經歷了怎樣一場“微型能量風暴”？

馬謙謙：可以想象冰內部正在上演一場“離子大遷徙”。彎曲讓冰的一邊被壓縮、一邊被拉伸。被壓的一側，鹽水通道里的離子被擠走，于是，大量帶電的離子從一邊涌向另一邊。這種流動會帶來電荷不平衡，在兩端產生電壓，就像微型電池一樣。打個比方，心臟的跳動會在血液中產生壓力梯度，把營養物質通過毛細血管網絡輸送到全身，再把廢物帶回來。冰沒有心臟，但如果把它看作一個生命體，加入鹽就好比激活了它的“毛細血管”。給它一個彎曲，就像心臟跳動了一下，驅使帶電鹽水沿著三維晶界網絡定向流動（從受壓側到受拉側）；再給個反向彎曲，鹽水又會流回來，就像血液在毛細血管中往復流動一樣。只要你不斷地讓它彎曲、恢復、再彎曲，就能持續發電。巧妙的是，這一離子輸運網絡并非人工設計，而是在結冰過程中自發形成，因此它與毛細血管或植物葉脈等生命傳輸網絡相似，均為大自然的巧妙設計。

可應用于南北極、青藏高原

華商報：聽起來，冰似乎在被“激活”。那這種技術目前最容易實現在哪些地方？

馬謙謙：最現實的場景是極地和高寒地區的能量采集與傳感檢測，比如在北極、南極、青藏高原這些地方。而這種“冰基發電”裝置可以就地取材，用當地的冰雪和少量金屬電極，就能為一些傳感器提供長期電源。甚至，如果有一天科幻電影《流浪地球1》中的場景真的發生了，我們在冰雪路面上鋪設類似的結構，過往車輛和人們的腳步都能成為發電源。

華商報：那它是否能用于柔性電子設備？比如，我們走路時給手機充電？

馬謙謙：冰基器件會受限于使用溫度，可能不太適合給手機等電子設備充電。不過，我們所提出的這種全新的機制完全可以用作人工復合材料的設計上，這種思路會帶來更可觀的、不受溫度限制的力電轉換性能。

能在星球探索中派上用場

華商報：在極地科考或太空探索中，它是否也能派上用場？

馬謙謙：非常有潛力。木衛二是目前最有希望存在生命的星球之一，它的表面就是厚厚的冰層，下面是咸水海洋。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，但是這些關聯無疑為理解冰電能的宇宙學意義提供新的線索、新的思考角度。

最大的挑戰是力學疲勞、電學損耗

華商報：聽起來已經離科幻不遠了。但從實驗室到現實，還有多遠的路？您覺得最大的挑戰是什么？

馬謙謙：挑戰主要有兩大類。一是力學疲勞：冰長期發生彎曲變形后，晶界會滑移，離子通道會被破壞，發電效率會下降。二是電學損耗：由于離子會自由移動，一部分能量會在內部消耗掉，難以積聚較為可觀的電壓，影響發電的效率。我們正在嘗試通過結構設計和摻雜優化來解決這些問題。從基礎物理到工程應用，還需要時間積累和迭代。

華商報：接下來，咱們團隊還有什么計劃？

馬謙謙：我們計劃從兩個方向同時推進。第一個是工程應用：設計可在極端環境下穩定運行的冰基器件，用于極地科考、低溫傳感等。第二個是基礎研究：進一步研究鹽冰的離子流動機制，看看這種原理能否遷移到其他材料上，比如陶瓷或高分子。更大的目標，是通過理解鹽冰發電的機制，去啟發我們在人工復合材料中創造類似的能量轉換機制。

期待能成為極端環境下的清潔微能源

華商報：您希望這項“向冰取電”的技術，最終能為能源或氣候帶來怎樣的改變？

馬謙謙：我們并不是想讓“冰能”取代太陽能、風能，而是希望它成為一種極端環境下的清潔微能源。比如在極寒地區、太空探測、海洋深處——這些地方傳統能源難以到達，而冰反而無處不在。如果能利用當地的冰本身去發電，那就是最環保、最低成本的能源形式。我覺得它帶來的啟發更重要：能源其實無處不在，只是我們還沒學會與自然對話的方式。從閃電到冰晶，每一種自然現象，可能都隱藏著新的能量路徑。

華商報：有沒有一個簡單的小實驗，讓普通人也能在家“看到冰發電”？

馬謙謙：單個冰彎曲產生的電壓非常弱（只有幾十微伏），家用的萬用電表是測量不到如此小的電壓的。

專家簡介：

馬謙謙

馬謙謙，西安交通大學航天航空學院博士研究生，研究領域為智能材料中的增強撓曲電效應，主持國家自然科學基金青年學生基礎研究項目（博士研究生），獲得中國科協青年人才托舉工程博士生專項計劃托舉，在國際頂尖刊物上發表論文12篇。所在團隊為西安交通大學航天航空學院申勝平教授帶領的力化學耦合及智能介質團隊，團隊長期從事智能材料和智能結構、力化學耦合理論與應用等領域的研究。另外，感謝論文的共同第一作者和共同通訊作者文馨博士對本次科普專訪提供的幫助。

華商報大風新聞記者 任婷 王昊 B48