הניצוץ החשמלי של הקרח: מדענים גילו תכונה נסתרת בחומר המוכר ביותר בעולם

מה אם הייתי אומר לכם שקוביית קרח רגילה יכולה לייצר חשמל? לא מדובר במדע בדיוני. מחקר חדש גילה לראשונה תכונה נסתרת בקרח: כאשר מכופפים אותו, הוא יוצר מתח חשמלי. התגלית הזו עשויה לשנות את הבנתנו לגבי תהליכים כמו היווצרות ברקים, תנועת קרחונים, ואפילו החיפוש אחר חיים על ירחים קפואים במערכת השמש.

קרח. אין חומר מוכר ויומיומי ממנו. הוא צף בכוס המשקה שלנו ביום קיץ חם, מצפה פסגות הרים בלובן בוהק, מרחף כעננים עדינים בשמיים, ומרכיב עולמות שלמים הנסתרים במעמקי מערכת השמש. במשך מאות שנים, האנושות חקרה אותו, הבינה את מבנהו המשושה והמסודר, ואת תפקידו המכריע במערכות האקלים של כדור הארץ. חשבנו שאנחנו מכירים אותו, שהוא פשוט, צפוי, אולי אפילו משעמם. אך הטבע, כדרכו, אוהב להסתיר את סודותיו הגדולים ביותר במקומות הגלויים ביותר לעין. מחקר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Physics, מערער את כל מה שחשבנו שאנחנו יודעים על קרח, וחושף בו חיים חשמליים נסתרים, ניצוץ של אנרגיה המתעורר מתוך תנועה מכנית פשוטה. התגלית הזו לא רק פותרת תעלומה בת עשרות שנים, אלא עשויה לשנות את הבנתנו לגבי תהליכים דרמטיים, מהיווצרות ברקים ועד לגיאולוגיה של ירחים קפואים.

הסיפור מתחיל ברעיון פיזיקלי אלגנטי אך חמקמק, שעד כה יוחס בעיקר לחומרים מלאכותיים ומתוחכמים. רובנו מכירים את התופעה הפיאזואלקטרית - היכולת של גבישים מסוימים, כמו קוורץ, לייצר מתח חשמלי כאשר מופעל עליהם לחץ. זוהי הטכנולוגיה הפועלת במצת של כיריים גז; הלחיצה על הכפתור מפעילה לחץ על גביש, והגביש מייצר ניצוץ. מים קפואים, הקרח המוכר לנו, אינם פיאזואלקטריים. המבנה הגבישי הסימטרי שלהם מונע זאת. אך בפיזיקה קיימת תופעה אחות, אוניברסלית ומסתורית יותר, הנקראת פלקסואלקטריות (Flexoelectricity). בעוד שפיאזואלקטריות נוצרת מלחץ אחיד, פלקסואלקטריות נולדת מעיוות לא אחיד - מכיפוף, מעיקום או מפיתול. תיאורטית, כל חומר, אפילו כזה שאינו פיאזואלקטרי, אמור להיות פלקסואלקטרי. הבעיה היא שהאפקט הזה נחשב לחלש כל כך ברוב החומרים, עד שכמעט בלתי אפשרי למדוד אותו. במשך שנים, פיזיקאים תהו אם גם בקרח, החומר הנפוץ כל כך, קיים האפקט הזה, אך איש לא הצליח להוכיח זאת בניסוי.

כדי לפצח את התעלומה, צוות חוקרים מהמכון הקטלאני לננו-מדע וננוטכנולוגיה (ICN2) בברצלונה, בהובלת ד"ר ש' וון (X. Wen) ופרופ' גוסטאו קטלאן (G. Catalan), החליט לגשת לאתגר חזיתית. הם לא השתמשו בסימולציות ממוחשבות, אלא בנו מערך ניסוי עדין ומדויק להפליא כדי לנסות ולמדוד את הניצוץ החמקמק הזה בקרח אמיתי. הם גידלו במעבדה גבישי קרח טהורים במיוחד, ומהם חתכו לוחות זעירים, דקים יותר משערת אדם. את לוח הקרח הזעיר הזה הם הניחו על אלקטרודות, והשתמשו בקצה של מחט מיקרוסקופית כדי להפעיל עליו לחץ ולכופף אותו בעדינות. במקביל, מכשור רגיש מדד כל זרם חשמלי זעיר שנוצר בתגובה.

התוצאות היו מיידיות ומפתיעות. ברגע שהמחט כופפה את לוח הקרח, המכשירים זיהו זרם חשמלי ברור. האפקט לא היה חלש כפי שציפו; למעשה, עוצמתו הייתה דומה לזו של חומרים קרמיים מתקדמים, כמו טיטניום דו-חמצני, הידועים בתכונותיהם החשמליות. זו הייתה ההוכחה הניסיונית הראשונה והחד-משמעית לכך שקרח הוא חומר פלקסואלקטרי חזק באופן מפתיע. אך בזמן שהמשיכו במדידות, גילו החוקרים תופעה נוספת, מוזרה עוד יותר. כשהם קיררו את הקרח לטמפרטורות נמוכות מאד, סביב 113- מעלות צלזיוס, הם הבחינו בתכונה חשמלית חדשה שהופיעה על פני השטח של הגביש. השכבה החיצונית ביותר של הקרח עברה מעבר פאזה והפכה לפרואלקטרית (Ferroelectric) - כלומר, היא פיתחה קיטוב חשמלי קבוע משלה, והתנהגה כמו שכבה דקיקה של מגנט חשמלי. "גילינו שקרח מייצר מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני בכל הטמפרטורות", מסביר ד"ר וון. "בנוסף, זיהינו שכבה דקה 'פרואלקטרית' על פני השטח בטמפרטורות נמוכות... משמעות הדבר היא שלפני השטח של הקרח יש לא רק דרך אחת לייצר חשמל, אלא שתיים".

השלב הבא היה לעבור מהעולם המבוקר של המעבדה אל העולם האמיתי. מהן ההשלכות של התגלית שקרח יכול לייצר חשמל? התשובה הדרמטית ביותר קשורה לאחת מתופעות הטבע העוצמתיות והמפחידות ביותר: ברקים. במשך יותר מ-250 שנה, מאז ניסויי העפיפונים המפורסמים של בנג'מין פרנקלין, מדענים מנסים להבין כיצד ענני סערה מייצרים את המטען החשמלי האדיר הדרוש ליצירת ברק. התיאוריה המקובלת גורסת שהמטען נוצר מהתנגשויות בין מיליארדי חלקיקי קרח וטיפות מים בתוך הענן הסוער, אך המנגנון המדויק שגורם להפרדת המטענים החיוביים והשליליים נותר תעלומה. התגלית החדשה מציעה פתרון אלגנטי. בתוך ענן סערה, חלקיקי קרח קטנים, המכונים גראופל, מתנגשים זה בזה בעוצמה אדירה. כל התנגשות כזו גורמת לעיוות ולכיפוף רגעי של חלקיק הקרח. החוקרים לקחו את נתוני המעבדה שלהם על עוצמת האפקט הפלקסואלקטרי וחישבו את כמות המטען החשמלי שכל התנגשות כזו אמורה לייצר. להפתעתם, המספרים שהם קיבלו תאמו באופן כמעט מושלם לכמות המטען שנמדדת בניסויי מעבדה המדמים התנגשויות כאלה. "התוצאות של המחקר מציעות שהפלקסואלקטריות של הקרח יכולה למלא תפקיד בטעינה החשמלית של עננים במהלך סופות רעמים, ולפיכך במקורם של ברקים", נכתב בהודעה לעיתונות של האוניברסיטה האוטונומית של ברצלונה. ייתכן שהניצוץ החשמלי שנולד מכיפוף של מיליארדי גבישי קרח הוא התשובה לתעלומה בת מאות השנים.

ההשלכות אינן מוגבלות לאטמוספירה. חשבו על הקרחונים העצומים המכסים את גרינלנד ואנטארקטיקה. מסות הקרח האדירות הללו נמצאות בתנועה מתמדת, נלחצות ומתעוותות תחת משקלן העצמי. ייתכן שהכיפוף האיטי והמתמיד הזה מייצר אותות חשמליים עדינים, שבעתיד ניתן יהיה למדוד אותם באמצעות לוויינים או חיישנים כדי לעקוב אחר בריאות הקרחונים, תנועתם, והאופן שבו הם מגיבים להתחממות הגלובלית. ואולי היישום המרתק ביותר של התגלית נמצא הרחק מכאן, במעמקי מערכת השמש, על ירחים קפואים כמו אירופה של צדק ואנקלדוס של שבתאי. מעטה הקרח העבה שלהם נתון לכוחות גאות ושפל אדירים הנגרמים מכוח המשיכה של כוכבי הלכת הענקיים שהם מקיפים. הקרח על פני ירחים אלה נמתח, נדחס ומתכופף ללא הרף. האפקט הפלקסואלקטרי, אם כך, עשוי לפעול שם בקנה מידה עצום, וליצור מתחים חשמליים. האם זרמים אלו יכולים להשפיע על הכימיה של האוקיינוס שמתחת? האם הם יכולים לספק את הניצוץ האנרגטי הדרוש להיווצרות חיים?

בחזרה לכדור הארץ, התגלית פותחת גם פתח ליישומים טכנולוגיים מפתיעים. מכיוון שהאפקט כה חזק בקרח, ניתן תיאורטית להשתמש בו לייצור חיישנים זולים או התקנים לקצירת אנרגיה באזורים קרים. אפשר לדמיין מכשיר פשוט, שבו תנודות מכניות קלות של פיסת קרח מתורגמות לחשמל, ומספקות אנרגיה למשימות מחקר בקטבים או אפילו על פני מאדים. המחקר הזה הוא תזכורת נפלאה לכך שהמדע אינו עוסק רק בגילוי דברים חדשים וזרים, אלא גם, ואולי בעיקר, בחשיפת המורכבות והיופי הנסתרים בדברים המוכרים ביותר. בפעם הבאה שתחזיקו קוביית קרח ביד, זכרו שהיא אינה רק גוש מים קפוא ופסיבי. היא גביש מורכב, בעל חיים חשמליים סודיים, מכונה זעירה הממתינה לעיקום קל כדי להפיק ניצוץ של אנרגיה, ובכך מחברת את כוס התה הקר שלכם עם סופות הברקים והירחים הרחוקים של מערכת השמש.

המחקר:

Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice