A água congelada é uma das substâncias mais abundantes na Terra. É encontrada em geleiras, nas montanhas e nas calotas polares. Embora seja um material bem conhecido, o estudo de suas propriedades continua a produzir resultados fascinantes.

Um estudo internacional envolvendo o ICN2, no campus da UAB, a Universidade Jiaotong de Xi’an (Xi’an) e a Universidade de Stony Brook (Nova Iorque), mostrou pela primeira vez que o gelo comum é um material flexoelétrico. Em outras palavras, ele pode gerar eletricidade quando submetido a deformações mecânicas. Esta descoberta pode ter implicações significativas para o desenvolvimento de dispositivos tecnológicos futuros e ajudar a explicar fenômenos naturais como a formação de relâmpagos em tempestades.

O estudo, publicado na revista Nature Physics, representa um grande avanço em nossa compreensão das propriedades eletromecânicas do gelo. “Descobrimos que o gelo gera carga elétrica em resposta ao estresse mecânico em todas as temperaturas. Além disso, identificamos uma fina camada ‘ferroelétrica’ na superfície em temperaturas abaixo de -113ºC (160K). Isso significa que a superfície do gelo pode desenvolver uma polarização elétrica natural, que pode ser invertida quando um campo elétrico externo é aplicado — semelhante a como os polos de um ímã podem ser invertidos. A ferroelectricidade superficial é uma descoberta interessante, pois significa que o gelo pode ter não apenas uma maneira de gerar eletricidade, mas duas: ferroelectricidade em temperaturas muito baixas e flexoeletricidade em temperaturas mais altas até 0 °C”, explica o Dr. Xin Wen, membro do Grupo de Nanofísica de Óxidos do ICN2 e um dos pesquisadores principais do estudo. Essa propriedade coloca o gelo em pé de igualdade com materiais electrocerâmicos, como o dióxido de titânio, que são atualmente usados em tecnologias avançadas como sensores e capacitores.

Gelo, flexoeletricidade e tempestades

Um dos aspectos mais surpreendentes desta descoberta é sua conexão com a natureza. Os resultados do estudo sugerem que a flexoeletricidade do gelo pode ter um papel na eletrificação das nuvens durante tempestades e, portanto, na origem do relâmpago.

É sabido que o relâmpago se forma quando um potencial elétrico se acumula nas nuvens devido a colisões entre partículas de gelo, que se tornam eletricamente carregadas. Este potencial é, então, liberado como um raio. No entanto, o mecanismo pelo qual as partículas de gelo se tornam eletricamente carregadas permanecia incerto, uma vez que o gelo não é piezoelétrico — não pode gerar carga simplesmente sendo comprimido durante uma colisão.

No entanto, o estudo mostra que o gelo pode se tornar eletricamente carregado quando submetido a deformações inhomogêneas, ou seja, quando se curva ou deforma irregularmente. “Durante nossa pesquisa, o potencial elétrico gerado pela curvatura de uma lâmina de gelo foi medido. Especificamente, o bloco foi colocado entre duas placas de metal e conectado a um dispositivo de medição. Os resultados correspondem aos observados anteriormente em colisões de partículas de gelo em tempestades”, explica o professor ICREA Gustau Catalán, líder do Grupo de Nanofísica de Óxidos do ICN2.

Assim, os resultados sugerem que a flexoeletricidade pode ser uma possível explicação para a geração do potencial elétrico que leva ao relâmpago durante as tempestades.

Perspectivas futuras

Os pesquisadores do grupo já estão explorando novas linhas de investigação com o objetivo de aproveitar essas propriedades do gelo para aplicações no mundo real. Embora ainda seja um pouco cedo para discutir soluções potenciais, essa descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos que utilizem o gelo como um material ativo, que poderiam ser fabricados diretamente em ambientes frios.