“我們都知道雷電活動會給人類生產生活帶來巨大損失，但其發生過程始終難以精確預測發電機 。造成這一困境的核心原因，是對雷云充電物理機制的理解仍不充分。我們的研究為閃電之謎補上了一塊關鍵拼圖（雖然可能并非最后一塊），有助于提升未來對雷電活動的預測能力，進而減少由雷電引發的損失。”西安交通大學航天航空學院申勝平教授告訴 DeepTech。
圖 | 申勝平（來源：申勝平）
在上述研究中，他和團隊在更具體的器件應用層面已經展示了兩種鹽冰器件，通過梯形臺和薄曲梁這樣的結構設計，可以將均勻的壓力轉換為不均勻的變形，借此獲得的等效壓電系數可以媲美性能最優的壓電材料 PMN-PT發電機 。“這為開發冰能提供了可能性。”他表示。未來，他和團隊期望實現的是，在一些極端環境下乃至地外星球上就地取材，利用自然界中大量存在的冰，原位制造力電換能器，從風、潮汐活動、地殼運動等自然現象中獲取電能，從而實現能量采集或環境監測。
（來源：資料圖）
從意外之喜到兩篇頂刊論文
據了解，這項研究成果的誕生其實是一個意外之喜，他和團隊原本只是出于單純的好奇心，而非為了解決某個既有問題發電機 。2020 年，在進行另一個撓曲電實驗時，申勝平的學生觀察到樣品在零點以下出現了雜亂的信號。他們當時懷疑是低溫下水汽在樣品表面結冰所致，畢竟理論上任何絕緣體都應具備撓曲電性，冰應該也不例外。后來，學生確認這個噪聲是源于儀器靈敏度設置不當，但正是這次實驗插曲，將他們引入了冰的撓曲電性研究這一課題，并將相關論文發表于 Nature Physics。
圖 | 相關論文（來源：Nature Physics）
在完成第一階段的工作之后，他們發現純冰的撓曲電系數極小，不足以支撐實際的力電轉換應用發電機 。這便自然引出了第二個課題：如何提升撓曲電系數？于是，他們嘗試了鹽摻雜，發現非常有效，相關論文隨后發表于 Nature Materials。
圖 | 相關論文（來源：Nature Materials）
在發表于 Nature Physics 的論文中，他們首次實驗并證實了普通六方冰的撓曲電特性，觀察到其表面在低溫下出現鐵電相變發電機 。同時，他們建立了雷暴云中冰-霰碰撞的撓曲電理論模型，并給出了相應的解析表達式。該模型不僅能解釋冰的碰撞帶電機制，也可推廣用于分析其他材料接觸起電中的撓曲電貢獻。
在隨后發表于 Nature Materials 的論文中，他們發現摻鹽之后能夠使冰的撓曲電響應增強三個數量級，并揭示其核心機制源于彎曲驅動的晶界鹽離子流動發電機 。研究團隊將這一新現象命名為“撓曲流電效應”，并提出了簡潔有效的解析公式，可以普適地指導含液體多孔材料的力電耦合研究。在應用層面，經過結構優化之后，其所研發的鹽冰器件展現出可與頂級壓電晶體媲美的等效壓電系數。
（來源：資料圖）
驚人效應有時就藏在尋常之物之中
審稿人對于發表于 Nature Physics 的論文評述道：“這項重要的測量為探索冰的撓曲電效應和鐵電性在地球及其他行星云層中冰晶帶電過程中的可能作用打開了大門，此前這一過程尚未得到很好理解甚至幾乎未被理解，但它卻是大氣現象的核心發電機 。”
此外，Nature Physics 期刊邀請基礎科學研究院雅羅斯拉夫·索博列夫（Yaroslav Sobolev）研究員以《從彎曲到閃電》（From bending to lightning）為題撰寫了 News Views 觀點文章，對該論文進行了專題評論，文中指出：“幾千年來人們一直在目睹閃電的出現，然而盡管科學取得了巨大成就，人們仍然不知道云層為什么會產生閃電發電機 。現在，研究團隊發現，當冰被彎曲時會帶電，這一發現可能為閃電之謎鋪平道路。”該文章還指出：“耐人尋味的是，冰的撓曲電系數在大約 ?15°C 附近會改變符號，而這正是自然界中雷暴帶電極性發生反轉的溫度。這個對應關系表明，撓曲電性可能提供一條替代相對擴散生長速率理論的解釋，用以理解帶電方向為何依賴于溫度。”該文章繼續指出：“如果撓曲電機制在地球云層中得到證實，其意義可能超出地球大氣。在原行星盤中，塵埃顆粒的碰撞會面臨反彈障礙——顆粒相互反彈而非粘連，從而阻礙行星形成，而碰撞帶電有助于克服這一障礙。宇宙真空冷環境中的冰結構與當前研究的地球六方冰不同，但相同的實驗技術完全可以被用于研究宇宙冰。”
對于發表于 Nature Materials 的論文，一位審稿人評述道：“這項工作拓展了利用地球水資源進行能量收集的潛在方法，并能激勵研究人員在其他材料中探索類似的撓曲流電效應，具有重要的科學價值和廣闊的應用前景發電機 。”還有一位審稿人指出：“這篇論文展示了一項極具吸引力且意義重大的研究，報道了在鹽冰中發現的巨撓曲流電效應。這一概念引人入勝，尤其在更廣泛的生物與環境背景下具有重要意義。”
此外，Nature Materials 期刊邀請浦項工科大學李大洙（Daesu Lee）教授以《鹽使冰轉變成一種高效撓曲電材料》（Salt turns ice into a powerful flexoelectric material）為題撰寫了 News Views 觀點文章，對該論文進行了專題評論，文中指出：“（撓曲流電效應）這一機制頗具啟發性：只要一個可變形固體中含有連通的離子相，彎曲時就可能產生遠遠超過晶格本身所能貢獻的電荷信號發電機 。”該文章還寫道：“目前，這項研究已經將一種普通的固體借助日常廚房里的調味品，轉變為高性能電機耦合發電器件。這提醒人們——驚人的效應有時就隱藏在尋常之物之中。”
（來源：資料圖）
從“尚顯不足”的退稿意見發電機 ，到被評為“可能為閃電之謎鋪平道路”
盡管兩篇論文最終都成功發表在了 Nature 大子刊，但是研究過程和投稿過程并非一帆風順發電機 。據了解，在 2020 年決定測量冰的撓曲電性后，研究團隊很快取得了初步成果：僅用一周時間就在純冰樣品中，觀測到彎曲會產生電信號。緊接著，又用了兩周時間測量高濃度鹽冰，發現撓曲電系數顯著提升。研究團隊將這些結果整理為論文，并且結尾嘗試對自然帶電現象進行初步討論。
2021 年當他們進行首次投稿時，期刊編輯雖然表達了興趣但并未送審，而是指出兩個問題：一是其認為研究團隊對自然現象解釋這一部分的解釋不深入，二是鹽在撓曲電增強方面的作用沒有解釋清楚發電機 。“回過頭看，編輯是對的，我們在這一階段對問題的理解還很淺顯。”申勝平表示。
從 2022 年開始，研究團隊沉下心來，進入“深耕階段”發電機 。他們將工作重心首先放在純冰研究上，在樣品制備、機械加載、電學測試、溫度控制等方面對實驗設計進行了全方位優化，確保了數據的可靠性與可重復性。在變溫實驗中，研究團隊意外發現了在 -110℃ 附近的撓曲電峰值，并通過電極依賴性測試、第一性原理計算，以及撓曲電-極化電場的蝶形曲線等多重結果證明，這一峰值源于冰的表面鐵電相變。
與此同時，他們梳理了冰帶電問題甚至整個接觸起電領域的歷史文獻和當前理解，不斷修正和完善理論模型發電機 。最終發現，撓曲電模型不僅能預測的冰碰撞產生的電荷量，與既有風洞實驗結果相符，還能解釋雷云中隨溫度翻轉的典型三極性結構。
“可以說，從首次投稿時收到的‘這些論述對頂刊而言尚顯不足’這一退稿意見，到最近在 Nature Physics 的 New Views 專題評論文章中被評價為‘這一發現可能為閃電之謎鋪平道路’，我們走了四年時間發電機 。”申勝平表示。
2023 年，當他們將純冰論文投稿至 Nature Physics 之后，隨即著手完善鹽冰工作發電機 。有了前期的經驗，他們很快補充了八種鹽分樣品的撓曲電數據，包括溫度與頻率依賴性。但在此時他們開始懷疑鹽冰的撓曲電增強行為可能與晶界輸運相關，于是在晶界工程、固液界面和動電理論等方面進行大量調研，著手構建理論模型。
2024 年，在結構表征方面，他們通過拉曼光譜確認了鹽雜質主要富集于晶界，并發現摻雜鹽分會減小晶粒尺寸發電機 。在功能測試方面，他們設計并制備了鹽冰器件，其等效壓電系數可與頂級壓電單晶媲美。幾乎在得到這些新實驗結果的同一時間，理論建模也最終完成。研究團隊將鹽冰這個跨尺度的力-電-化耦合體系提煉為一個解析模型，其中所有參數均有明確物理意義，并且在定性和定量上都與實驗高度吻合。這種程度的理論-實驗一致性在復雜體系中極為罕見，說明他們真正抓住了問題的核心。2024 年 10 月，研究團隊終于完成論文初稿，兩月后投稿至 Nature Materials。而此時，純冰論文仍在 Nature Physics 的第三輪申訴過程中。
申勝平表示：“現在回過頭看，2021 年首次投稿時論文的‘薄弱之處’，最終演化為兩篇獨立論文的靈魂發電機 。對我們而言，這段經歷帶來的啟示是：一個好點子足以開啟一項好的課題，但要真正深入問題揭示其深層規律，甚至看到‘別有洞天’就必須下苦功夫，并在挑戰和困難前堅持不懈。”他繼續說道：“靈感可遇而不可求。但是，沉下心來進行踏實的積累與鉆研，是我們能夠掌控的。幸運的是，當課題本身很有趣時，即使過程再艱辛，也能充滿動力。我的學生文馨和馬謙謙對此深有體會。”
每一份審稿邀請發電機 ，都意味著責任
申勝平補充稱，一般來說一篇高水平論文只能講清楚一件事發電機 。但是，他們發表在 Nature Physics 上的這篇論文卻同時講了三件事：冰的撓曲電、冰的表面鐵電，以及冰的撓曲電在雷云充電中的作用。他和團隊常開玩笑說，這其實是“三篇論文合在了一起”。
這種情況的出現是有原因的：表面鐵電是他們在撓曲電測試中意外觀察到的結果，這是由于撓曲電性對表面很敏感，二者直接相關；而雷云充電這一點則是他們在研究第一階段便開始構思的方向發電機 。“我們覺得它很重要，也很令人興奮，所以最終還是決定將它寫進論文。”其表示。
這樣安排的結果便是：論文的“網”撒得很開，審稿人可以從各個角度進行質疑發電機 。事實也確實如此：撓曲電部分對于他們來說并不困難，因為該團隊長期從事這一方向的研究，和申勝平共同指導這項研究的西班牙加泰羅尼亞納米科學與納米技術研究所古斯塔夫·加泰隆（Gustau Catalan）教授也是該領域的著名專家。在表面鐵電方面，他們也很快通過邀請紐約州立大學石溪分校馬里維·費爾南德斯-塞拉（Marivi Fernández-Serra）教授加入使論文質量得到提升。
申勝平表示，真正讓他和團隊陷入長達兩年多審稿過程的，是關于雷云充電的討論發電機 。他和團隊中沒有研究接觸帶電的成員，只能從頭開始調研、推演理論模型，但一直很難讓審稿人信服。在那兩年里，研究團隊不得不為“把幾篇論文塞進一篇”這一選擇而“付出代價”。
直到最后階段，出現了一位意外的“幫手”，期刊編輯邀請到了一位來自接觸帶電領域的專家擔任第五位審稿人發電機 。這位審稿人對研究意義給出了高度評價，同時也對技術層面給出了不少批評意見。他/她并未止步于此，而是先后提交了兩份長達數十頁、帶有目錄和參考文獻的審稿意見，復現了研究團隊的理論推導和繪圖，逐個分析了論文的具體問題，并提出了更合理的改進思路。
申勝平說道：“我從未見過如此詳盡而負責的審稿意見，它們真正幫助我們大幅提升了這部分論文內容的水準發電機 。我們在論文致謝中專門感謝了這位匿名審稿人。雖然我們不知他/她的身份，但是這份審稿意見令人動容，也提醒了我們：作為科研工作者，接受的每一份審稿邀請，都意味著責任。”
最終，這篇論文成功發表于 Nature Physics，不過他們還是從漫長的同行評議過程中吸取了教訓發電機 。因而在準備鹽冰這篇論文時，研究團隊決定：這一次只講一件事情，并且在撰寫過程中便對所有實驗、模型、機理分析進行嚴格的“預審稿”，同時盡量用簡潔、清晰、線性的敘事來串聯復雜現象。當初稿論文完成時，研究團隊就很清楚，這是一篇好論文。事實證明如此，審稿過程非常順利，僅經歷了一輪小幅修改便被 Nature Materials 接受。
在這些研究中，雖然他們研發了高性能鹽冰器件，但若要推動其真正走向應用，仍需克服兩大挑戰：其一是力學疲勞發電機 。由于鹽冰晶界中存在可流動的液體層，在反復受載過程中晶界易發生滑移，從而破壞“固體骨架＋離子液體通道”的結構，導致電能輸出在約 30 小時后衰減近一半。其二是電學損耗。鹽冰內部自由離子的存在使得其兩側難以穩定積累高電壓，這給能量利用帶來了限制。未來，他們計劃針對這兩點問題展開更深入的研究。
參考資料：
Wen, X., Ma, Q., Liu, J. et al. Streaming flexoelectricity in saline ice. Nat. Mater. 24, 1533–1537 (2025). hts://doi.org/10.1038/s41563-025-02332-5
Wen, X., Ma, Q., Mannino, A. et al. Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nat. Phys. (2025). hts://doi.org/10.1038/s41567-025-02995-6
排版：劉雅坤