El hielo puede generar electricidad al doblarse o deformarse, tal y como demuestra un estudio dirigido por el Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2). El descubrimiento evidencia por primera vez que el hielo común —la variedad hexagonal que forma glaciares, copos de nieve y granizo— no es eléctricamente pasivo, como se pensaba hasta ahora, sino un material electromecánicamente activo.
El estudio, publicado hoy en Nature Physics, no solo abre nuevas vías en la creación de dispositivos tecnológicos, sino que también aporta una explicación plausible al origen de los rayos en las tormentas.
Prof. Gustau Catalán, líder del grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2 y el Dr. Xin Wen, primer autor del estudio
De lo microscópico a las tormentas eléctricas
Hasta ahora se sabía que los rayos se originan por la electrificación de las nubes, vinculada a colisiones entre partículas de hielo, aunque el mecanismo exacto por el que dichas colisiones generaban electricidad permanecía sin resolver. La clave, según los autores del nuevo estudio, está en que el hielo puede producir electricidad si se dobla o se deforma de manera desigual “porque el acoplamiento entre polarización y gradiente de deformación (flexoelectricidad) está siempre permitido por simetría”.
Para comprobarlo, los investigadores fabricaron condensadores de hielo a partir de agua ultrapura congelada entre electrodos metálicos y sometieron estas muestras a deformaciones controladas con un analizador mecánico dinámico. “Pudimos confirmar no solo que el hielo es flexoeléctrico, sino que los valores de electricidad generados son consistentes con los valores observados en colisiones entre partículas de hielo en condiciones como las de las tormentas”, explica el profesor Gustau Catalán, líder del grupo de Nanofísica de Óxidos del ICN2 y coautor del artículo.
Congelación del condensador de agua a -20 °C para obtener un condensador de hielo.
El estudio combinó experimentos precisos midiendo cómo respondía eléctricamente el hielo al doblarse bajo distintas fuerzas, y simulaciones de deformaciones mecánicas a nanoescala, lo que permitió relacionar la flexoelectricidad medida en el laboratorio con las deformaciones producidas en colisiones a alta velocidad entre partículas de hielo.
La investigación, impulsada por el ICN2 de Barcelona en colaboración con la Universidad de Xi’an Jiaotong (China) y la Universidad de Stony Brook (EE. UU.), ha dado explicación a fenómenos observados en laboratorio como la inversión de polaridad con la temperatura, que reproduce la estructura tripolar típica de las nubes: positiva en la parte superior y en la base, y negativa en la franja intermedia.
Asimismo, el equipo también descubrió otro fenómeno inesperado. A temperaturas inferiores a –113 ºC (160 K), la superficie del hielo entra en fase ferroeléctrica. En esta capa superficial de tan solo decenas de nanómetros, las moléculas se ordenan y el material puede polarizarse espontáneamente, similar a un imán pero con cargas eléctricas. Esa “piel eléctrica” evidencia que el hielo “podría tener no solo una forma de generar electricidad, sino dos: ferroelectricidad a temperaturas muy bajas, y flexoelectricidad a temperaturas más altas hasta llegar a 0 °C”, explica el Dr. Xin Wen, autor principal del estudio.
Una comparación con cerámicas avanzadas
Las simulaciones mostraron además que la ferroelectricidad superficial depende del metal en contacto. Los electrodos de platino intensifican la respuesta eléctrica, mientras que los de aluminio la reducen, coherente con sus propiedades electrónicas.
Los autores destacan que la flexoelectricidad “puede ser una de las piezas que faltaban en el rompecabezas de la electrificación de tormentas”, aunque no la única; otros procesos como la fractura del hielo, la transferencia de masa o las impurezas también se sospecha que pueden contribuir.
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Aun así, el encaje es prometedor ya que la intensidad de la electricidad que el hielo puede generar al deformarse es comparable a la de algunos materiales muy estudiados y utilizados en tecnologías punteras, como ciertos óxidos cerámicos, por ejemplo, el dióxido de titanio o el titanato de estroncio. Estos compuestos se emplean hoy en día en dispositivos electrónicos avanzados, como sensores que detectan presiones diminutas convirtiéndolas en señales eléctricas o condensadores capaces de almacenar energía con gran eficiencia.
Que un material tan abundante y aparentemente simple como el hielo muestre una respuesta de magnitud similar significa que, en teoría, podría llegar a usarse con fines tecnológicos. Las aplicaciones prácticas aún están lejos por el motivo obvio de que el hielo se funde a la temperatura ambiente en la que vivimos casi todos los humanos, pero los autores señalan que no es descabellado imaginar sensores de bajo coste o dispositivos diseñados para funcionar directamente en entornos helados, como las regiones polares o el espacio exterior, donde las bajas temperaturas ya proporcionan las condiciones necesarias para mantener estable el material.