非凡的科学效应，往往藏在最平凡的材料里。近期，西安交通大学申胜平教授带领的研究团队带来了令人惊喜的科学成果——向冰里“加盐”，能让冰的发电能力提升近千倍。其奥秘在于，当冰被弯曲时，盐离子会沿着冰的晶界“奔跑”并形成电流。为了解其中的奥秘，近日，华商报大风新闻记者专访了申胜平教授团队成员、论文的共同第一作者西安交通大学航天航空学院博士研究生马谦谦。

好比赋予了冰一套毛细血管系统

水作为一种传统能源，自古便为人类所用。然而，水的另一种形态“冰”，却长期处于未被开发利用的状态。已有研究发现，冰在非均匀变形下可产生电极化现象，即挠曲电效应。但纯冰的挠曲电系数仅为1-10纳库仑每米量级，难以提供有效的力-电能量转换。因此显著提升冰的挠曲电系数，成为实现“冰能”利用的关键。

西安交通大学教授申胜平带领的研究团队提供了一种巧妙策略——向冰里“加盐”。他们发现，这能让冰的发电能力提升近千倍。其奥秘在于，当冰被弯曲时，盐离子会沿着冰的晶界“奔跑”并形成电流。这项近期发表于《自然-材料》的研究，不仅让冰能源开发更进一步，还刷新了人们对木卫二等冰封海洋世界电学活动的理解。

实验发现，当盐水冻结时，盐离子因盐析效应被排至冰晶界处，形成纳米尺度的准液体盐水层。该结构使盐冰在宏观上保持固态，内部却形成了贯通的三维离子输运网络。弯曲冰梁会像挤压湿海绵一样使界面处的盐水沿晶界从受压区定向流向受拉区。由于界面双电层的作用，这种流动携带净电荷，从而产生电流。团队将这一机制命名为“挠曲流电效应”。

“这好比赋予了冰一套毛细血管系统。弯曲一次，就像心脏搏动一次，驱动带电液体完成一次循环。冰本身没有心脏，但我们通过掺杂盐，激活了它内在的输运网络。”申胜平解释。

“加盐”的冰就像装上了离子小水管

华商报：小时候我们都玩过摩擦毛衣吸引小纸片的游戏。听起来，您这项研究有点像“冰的摩擦发电”，能不能用一个最生活化的比喻告诉我们，冰是怎么发电的？

马谦谦：我们小时候摩擦毛衣，毛衣和头发之间的电子发生转移，就能吸起小纸片；这叫“摩擦起电”。而冰发电不是靠摩擦，是靠“弯”。当一块冰被弯曲时，它内部的正电和负电中心会发生微小的错位，产生电势差。这个现象叫“挠曲电效应”。更有趣的是，如果冰里混入一点盐，这种“弯曲发电”的能力就会被放大上千倍。因为盐让冰的晶粒之间多出了一些微小的“液体通道”，当冰受力弯曲时，里面的离子会流动，就像小小的水流带着电荷奔跑，从而产生电流。所以你可以想象一块被“加盐”的冰，就像装上了离子小水管，一弯，它就形成电流。

“纯冰”的威力不容小觑

华商报：这个听起来很神奇。但在“加盐”之前，普通的冰几乎不怎么发电，对吗？它的“短板”在哪儿？

马谦谦：是的，普通冰确实“发电能力”很弱。我们测量过，纯冰的挠曲电系数大约只有几个纳库仑每米，这个信号非常微弱。原因在于冰的分子结构太规整了——每个水分子都被牢牢固定在氢键网络中。这种完美的对称性导致它没有“压电性”，也就是说，单纯挤它、压它，并不会产生电，只有“挠曲电效应”能让它在受弯曲时产生一点电，像一位“沉默寡言”的能量储藏者——内部明明有电荷，却几乎不开口“说话”。不过，这并不意味着纯冰就毫无用处。在自然界中，冰晶的“弯曲发电”效应虽然微弱，却能产生了惊人的影响。我们知道，雷暴云内部充满了大小不一的冰粒。小冰晶随气流上升，大霰粒则在重力作用下下降，它们在云中不断碰撞。每一次撞击、变形、弯曲，都会让这些冰粒产生微小的电荷分离，而当这种“挠曲电效应”在云层中亿万次叠加时，就能累积出足够大的电势差——最终引发我们熟悉的闪电。所以，虽然冰在实验室里“低调”，但在天空中，它却是制造雷电的“幕后推手”之一。我们的研究也首次证明，冰的挠曲电性确实可以解释雷暴云中电荷积累的关键过程——这让科学家更接近理解“闪电从何而来”这个古老的问题。

盐为何成为发电的“超级助攻手”

华商报：盐到底起了什么作用？为什么它成了发电的“超级助攻手”？

马谦谦：当我们往水里加盐，再冻结成盐冰后，盐离子很难进入冰晶内部，于是它们会被“挤”到晶粒之间，形成只有几个纳米厚的“盐水层”。这层薄薄的液体就像微型的高速公路，遍布在盐冰的各个角落，里面的盐离子能在很低的温度下自由移动。当冰被弯曲时，压力会让这些离子在高速公路上跑起来，运动的离子就形成了电流。这是一种全新的机制，我们称之为“挠曲流电效应”。和前面所说的传统的弯曲生电不同，盐冰的电是靠离子在液体层中“流”出来的。

“盐冰”弯曲时内部经历了什么

华商报：当一块“盐冰”弯曲时，它的内部到底经历了怎样一场“微型能量风暴”？

马谦谦：可以想象冰内部正在上演一场“离子大迁徙”。弯曲让冰的一边被压缩、一边被拉伸。被压的一侧，盐水通道里的离子被挤走，于是，大量带电的离子从一边涌向另一边。这种流动会带来电荷不平衡，在两端产生电压，就像微型电池一样。打个比方，心脏的跳动会在血液中产生压力梯度，把营养物质通过毛细血管网络输送到全身，再把废物带回来。冰没有心脏，但如果把它看作一个生命体，加入盐就好比激活了它的“毛细血管”。给它一个弯曲，就像心脏跳动了一下，驱使带电盐水沿着三维晶界网络定向流动（从受压侧到受拉侧）；再给个反向弯曲，盐水又会流回来，就像血液在毛细血管中往复流动一样。只要你不断地让它弯曲、恢复、再弯曲，就能持续发电。巧妙的是，这一离子输运网络并非人工设计，而是在结冰过程中自发形成，因此它与毛细血管或植物叶脉等生命传输网络相似，均为大自然的巧妙设计。

可应用于南北极、青藏高原

华商报：听起来，冰似乎在被“激活”。那这种技术目前最容易实现在哪些地方？

马谦谦：最现实的场景是极地和高寒地区的能量采集与传感检测，比如在北极、南极、青藏高原这些地方。而这种“冰基发电”装置可以就地取材，用当地的冰雪和少量金属电极，就能为一些传感器提供长期电源。甚至，如果有一天科幻电影《流浪地球1》中的场景真的发生了，我们在冰雪路面上铺设类似的结构，过往车辆和人们的脚步都能成为发电源。

华商报：那它是否能用于柔性电子设备？比如，我们走路时给手机充电？

马谦谦：冰基器件会受限于使用温度，可能不太适合给手机等电子设备充电。不过，我们所提出的这种全新的机制完全可以用作人工复合材料的设计上，这种思路会带来更可观的、不受温度限制的力电转换性能。

能在星球探索中派上用场

华商报：在极地科考或太空探索中，它是否也能派上用场？

马谦谦：非常有潜力。木卫二是目前最有希望存在生命的星球之一，它的表面就是厚厚的冰层，下面是咸水海洋。已有研究推测，冰壳在受到陨石撞击、潮汐力和构造活动时产生的电能或许能为生命提供潜在能量来源。将此处的电能归因于挠曲（流）电效应或许为时尚早，但是这些关联无疑为理解冰电能的宇宙学意义提供新的线索、新的思考角度。

最大的挑战是力学疲劳、电学损耗

华商报：听起来已经离科幻不远了。但从实验室到现实，还有多远的路？您觉得最大的挑战是什么？

马谦谦：挑战主要有两大类。一是力学疲劳：冰长期发生弯曲变形后，晶界会滑移，离子通道会被破坏，发电效率会下降。二是电学损耗：由于离子会自由移动，一部分能量会在内部消耗掉，难以积聚较为可观的电压，影响发电的效率。我们正在尝试通过结构设计和掺杂优化来解决这些问题。从基础物理到工程应用，还需要时间积累和迭代。

华商报：接下来，咱们团队还有什么计划？

马谦谦：我们计划从两个方向同时推进。第一个是工程应用：设计可在极端环境下稳定运行的冰基器件，用于极地科考、低温传感等。第二个是基础研究：进一步研究盐冰的离子流动机制，看看这种原理能否迁移到其他材料上，比如陶瓷或高分子。更大的目标，是通过理解盐冰发电的机制，去启发我们在人工复合材料中创造类似的能量转换机制。

期待能成为极端环境下的清洁微能源

华商报：您希望这项“向冰取电”的技术，最终能为能源或气候带来怎样的改变？

马谦谦：我们并不是想让“冰能”取代太阳能、风能，而是希望它成为一种极端环境下的清洁微能源。比如在极寒地区、太空探测、海洋深处——这些地方传统能源难以到达，而冰反而无处不在。如果能利用当地的冰本身去发电，那就是最环保、最低成本的能源形式。我觉得它带来的启发更重要：能源其实无处不在，只是我们还没学会与自然对话的方式。从闪电到冰晶，每一种自然现象，可能都隐藏着新的能量路径。

华商报：有没有一个简单的小实验，让普通人也能在家“看到冰发电”？

马谦谦：单个冰弯曲产生的电压非常弱（只有几十微伏），家用的万用电表是测量不到如此小的电压的。

马谦谦 

马谦谦，西安交通大学航天航空学院博士研究生，研究领域为智能材料中的增强挠曲电效应，主持国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生），获得中国科协青年人才托举工程博士生专项计划托举，在国际顶尖刊物上发表论文12篇。所在团队为西安交通大学航天航空学院申胜平教授带领的力化学耦合及智能介质团队，团队长期从事智能材料和智能结构、力化学耦合理论与应用等领域的研究。另外，感谢论文的共同第一作者和共同通讯作者文馨博士对本次科普专访提供的帮助。

原文刊登于2025年11月5日《华商报》6版

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