일반 얼음에서 충격적인 전기적 힘(전력)이 발견됐다

얼음은 변형될 때 전기를 생성할 수 있는데, 이를 플렉소일렉티시티(flexoelectricity)라고 하며, 매우 낮은 온도에서는 강유전체가 될 수도 있습니다. 이러한 발견은 뇌우에서 번개가 발생하는 원리를 설명하고 새로운 저온 환경 전자 장치의 개발에 길을 열어줄 수 있습니다. 출처: 바르셀로나 자치대학교

ICN2가 공동 주도한 연구에 따르면 얼음은 플렉소일렉트릭(flexoelectric) 물질로, 불균일하게 변형되었을 때 전기를 생성할 수 있습니다. Nature Physics 에 게재된 이 발견은 중요한 기술적 의미를 지니는 동시에 번개와 같은 자연 현상에 대한 이해를 높여줄 수 있습니다.

얼어붙은 물은 지구상에서 가장 풍부한 물질 중 하나입니다. 빙하, 산봉우리, 극지방의 만년설에서 발견됩니다. 잘 알려진 물질이지만, 그 특성을 연구하는 것은 계속해서 흥미로운 결과를 낳고 있습니다.

UAB 캠퍼스, 시안 교통대학교(시안), 스토니브룩 대학교(뉴욕)의 ICN2가 참여한 국제 연구에서 일반 얼음이 플렉소일렉트릭 소재임을 처음으로 보여주었습니다. 즉, 얼음에 기계적 변형을 주면 전기를 생성할 수 있다는 것입니다. 이 발견은 미래 기술 장치 개발에 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 뇌우 시 낙뢰 발생과 같은 자연 현상을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다.

네이처 피직스 (Nature Physics) 저널에 게재된 이 연구는 얼음의 전기기계적 특성에 대한 우리의 이해에 있어 중요한 진전을 의미합니다. "우리는 얼음이 모든 온도에서 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성한다는 것을 발견했습니다. 또한 -113ºC(160K) 이하의 온도에서 얼음 표면에 얇은 '강유전성' 층이 존재한다는 것을 확인했습니다.

이는 얼음 표면이 자연적인 전기 분극을 형성할 수 있음을 의미하며, 외부 전기장이 가해지면 자석의 극이 뒤집히는 것과 유사하게 역전될 수 있습니다. 표면 강유전성은 그 자체로 흥미로운 발견입니다. 얼음이 전기를 생성하는 방법이 하나뿐이 아니라 두 가지, 즉 매우 낮은 온도에서의 강유전성과 0°C까지의 고온에서의 플렉소전기성을 가질 수 있음을 의미하기 때문입니다."라고 ICN2 산화물 나노물리학 그룹의 일원이자 이 연구의 주요 연구원 중 한 명인 신 웬(Xin Wen) 박사는 설명합니다.

이러한 특성은 얼음이 현재 센서나 커패시터와 같은 첨단 기술에 사용되는 이산화티타늄과 같은 전기 세라믹 재료와 동등한 수준임을 보여줍니다.

얼음, 플렉소전기 및 뇌우

이 발견에서 가장 놀라운 측면 중 하나는 자연과의 연관성입니다. 연구 결과는 얼음의 플렉소전기성이 뇌우 시 구름의 전기화에 영향을 미쳐 번개의 발생에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.

번개는 얼음 입자들이 충돌하여 구름에 전기적 전위가 축적될 때 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 이 전위는 낙뢰로 방출됩니다. 그러나 얼음 입자가 전기적으로 대전되는 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다. 얼음은 압전 물질이 아니기 때문입니다. 즉, 충돌 시 단순히 압축되는 것만으로는 전하를 생성할 수 없습니다.

그러나 이 연구는 얼음이 불균일한 변형, 즉 불규칙하게 휘거나 변형될 때 전기적으로 대전될 수 있음을 보여줍니다. "저희 연구 과정에서 얼음판을 구부릴 때 발생하는 전위를 측정했습니다. 구체적으로, 얼음판을 두 금속판 사이에 놓고 측정 장치에 연결했습니다. 이 결과는 이전에 뇌우 시 얼음-입자 충돌에서 관찰된 결과와 일치합니다."라고 ICN2의 산화물 나노물리학 그룹 책임자인 ICREA 구스타우 카탈란 교수는 설명합니다.

따라서 이 결과는 플렉소전기가 폭풍 시 낙뢰를 유발하는 전위 생성에 대한 한 가지 가능한 설명이 될 수 있음을 시사합니다.

연구진은 얼음의 이러한 특성을 실제 응용 분야에 활용하기 위한 새로운 연구 방향을 이미 모색하고 있습니다. 잠재적 해결책을 논의하기에는 아직 이르지만, 이번 발견은 얼음을 활성 물질로 사용하는 새로운 전자 소자 개발의 길을 열어줄 수 있으며, 이러한 소자는 저온 환경에서 직접 제작될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250921090846.htm