刚刚，物理学“乌云”被驱散！西中美科学家终于发现闪电是如何形成的？

以下文章来源于徐德文科学频道，作者徐德文

你可能很难想象，掰弯一块普普通通的冰竟然可以发电，而这可能已正好驱散了物理学的一片“乌云”，那个困扰人类和无数科学天才几千年的古老谜题：闪电究竟是如何形成的？

就在刚刚（8月27日），这篇发表在权威期刊《自然-物理学》上的研究，彻底颠覆了我们对冰的认知。由西班牙、中国（西安交通大学）和美国科学家组成的团队通过无可辩驳的实验证明：我们日常生活中最常见的冰（学名Ih冰），竟隐藏着一种惊人的“超能力”——挠曲电性（flexoelectricity）。

这意味着，当冰块被弯曲、扭转或受到不均匀的压力时，它就能产生电荷！

谁能想到，我们司空见惯的冰块，竟然是一位深藏不露的“电系法师”。

◆ 01  一个古老的科学谜案：雷电到底从哪儿来？

要理解这个发现有多重要，我们得先回到一个困扰了富兰克林等无数科学天才的古老谜题：雷暴云里那毁天灭地的电，究竟是从哪儿来的？

我们早就知道，雷电的产生与云层中大量的冰晶颗粒有关。但问题来了，单个水分子虽然有正负两极（是极性分子），可一旦它们手拉手结成冰，由于特殊的晶体结构（遵循所谓的“伯纳尔-福勒”规则），这些小分子的极性方向就变得乱七八糟，正负电荷在宏观上完全抵消了。

这就导致了一个尴尬的结论：冰，不是一种“压电材料”。

“压电性”就像打火机里的那种晶体，你一按（施加均匀压力），它就产生电压。既然冰没有这个特性，那雷暴云里冰晶碰撞产生的巨大电荷，岂不成了无源之水？这个问题，就像是物理学天空中的一朵“乌云”，迟迟无法散去。因为此前冰如何带电的理论众多，但都存在一些无法解释的疑点。

◆ 02  掰弯它，而不是按压它！柳暗花明的时刻

面对这个世纪难题，科学家们换了个思路。

既然均匀按压不行，那不均匀的力呢？比如，把它掰弯？

这就是“挠曲电效应”的核心思想：几乎所有材料，无论其内部结构多么对称，只要你让它发生弯曲，就会在弯曲的内侧和外侧产生电荷分离，从而产生电压。

压电性好比你一拳打在墙上（均匀受力），而挠曲电性则像是你把一根尺子掰弯（受力不均）。前者要求苛刻，后者几乎是“阳光普照奖”。

为了验证冰到底有没有这种能力，研究团队设计了一个极其精妙的实验：

他们先用超纯水在两个金属电极之间冻结成一个薄薄的冰板，做成了一个“冰电容器”。

然后，用一台高精度的动态力学分析仪（DMA），对这块冰板施加一个精确的、周期性的三点弯曲力，反复把它掰弯。

同时，他们用示波器等设备，同步监测冰的弯曲程度和电极上感应到的微弱电荷。

结果出来了！实验数据完美地显示，产生的电荷与冰的弯曲程度（应变梯度）成正比。这是挠曲电效应的铁证！

而且，测得的挠曲电系数还不低，竟然和一些先进的陶瓷材料（如二氧化钛或钛酸锶）处于同一水平，这些可是制造高科技传感器和电容器的明星材料！

更有趣的是，实验还有一个“买一送一”的惊喜：在约-113℃的极低温下，冰的表面薄薄一层（“表皮层”）竟然还表现出了“铁电性”——也就是说它能像小磁铁一样拥有可以被电场翻转的电极。

◆ 03  闪电的诞生，源于冰晶的一次次掰弯

如果说在实验室里掰弯冰块能发电只是个有趣的发现，那么将它应用到雷暴云中，就是真正的石破天惊了。

想象一下雷暴云内部的狂暴景象：无数的小冰晶和被称为“霰”的大冰粒，在强烈的上升和下降气流中疯狂地碰撞、摩擦。

每一次碰撞，都必然导致冰粒表面发生剧烈的、不均匀的形变——也就是弯曲。

研究团队立刻将他们测得的挠曲电数据代入一个理论模型，计算在这种典型的“冰-霰”碰撞中，能产生多少电荷。

结果令人瞠目结舌：理论计算出的电荷转移量，与过去几十年里，全世界科学家在实验室里模拟云内碰撞测得的实验数据，惊人地吻合！

一道闪电的诞生，或许就源于无数冰晶在碰撞瞬间，那一次次微不足道的掰弯。

更进一步说，这个理论的核心贡献在于解释了雷暴云电荷结构的温度反转之谜。实验证实，在冰点附近，冰的挠曲电效应的正负号会随温度升高而反转。正是这一根本性的物理反转，主导了云内“正-负-正”三极结构的形成，这也可能正是后续所有闪电现象的物理基础和根本原因。

当然，科学家们也坦言：他们并不声称完全解决了长期存在的冰起电问题，挠曲电性并不排除其他起电机制的存在，甚至可能与它们相互作用 。自然界的雷暴是一个极其复杂的过程，很可能是多种机制协同作用的结果。

所以，下次当你用吸管吹着喝干的肯德基可乐里的冰块，或者看到冬日的霜雪时，你可能要深刻思考一下了，你眼前的并非只是一团固态的水。它是一种“机电活性材料”，是潜在的低成本传感器，更可能是大自然中雷电伟力的微观来源。

参考文献：

Wen, X., Ma, Q., Mannino, A., Fernandez-Serra, M., Shen, S., & Catalan, G. (2025). Flexoelectricity and surface ferroelectricity of water ice. Nature Physics.