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 在我們的常識中，大多數(shù)冰通常都很堅硬且易碎。

然而，你是否知道？當(dāng)冰以細小的鏈狀生長成長冰晶時，它不僅可以彎曲，還可以恢復(fù)到原來的形狀。

2021年7月8日凌晨，浙江大學(xué)童利民教授團隊在《Science》發(fā)文報道了這種神奇的冰—有史以來最具彈性和韌性的冰微纖維。這種冰微纖維可以像煮熟的面條一樣彎曲成幾乎完整的圓形，然后再恢復(fù)到原來的形狀（見視頻）。而且，除了優(yōu)異的彈性和柔韌性，該冰微纖維還可以像最先進的片上光導(dǎo)一樣沿其長度方向傳輸光線，有望用于低溫下工作的低損耗光波導(dǎo)。

研究成果以“Elastic ice microfibers”為題，發(fā)表在世界頂級期刊《Science》上。浙江大學(xué)光學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院Xu Peizhen和Cui Bowen為文章的第一作者，浙江大學(xué)Guo xin教授和童利民教授為文章的通訊作者。

靈感從何而來？

童利民教授稱，他們是在使用二氧化硅（一種玻璃）后受到啟發(fā)，開始研究冰。

原來，在我們?nèi)粘Ｉ钪写皯舻牟Ａ且姿榈模情L而薄的玻璃片（如光纖束）卻是柔韌的。受此啟發(fā)，研究人員大膽猜想，或許冰也是如此。

然而，自然界的冰通常含有氣孔、微裂紋、晶界、晶體位錯和其他微觀結(jié)構(gòu)缺陷，以及表面不規(guī)則，這也是大多數(shù)冰容易破碎的原因。而童教授和他的同事們需要制造符合非常特殊規(guī)格的冷凍水，這種冰必須近乎完美，沒有任何缺陷。

因此，如何制備幾乎沒有缺陷的長冰晶是一大挑戰(zhàn)！

零下50度電場輔助生長冰微纖維，具有近乎完美的單晶結(jié)構(gòu)

為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究團隊嘗試了無數(shù)次，終于提出了一種電場增強生長的方法：

首先，研究人員采用 3D 打印制作了一個直徑超過一英寸的圓形腔室，并使用液氮將腔室的溫度冷卻到-50 ℃；然后，他們通過施加了2000V電壓的針尖將水蒸氣輸送到保持在 -50°C 溫度的小室中來制造纖維。

圖1. 制備冰微纖維的實驗裝置示意圖

由于高壓產(chǎn)生了電場，空氣中的水分子會在電場的作用下吸引到由鎢制成的針上。隨后，棒狀的冰微纖維在針尖處以大約每秒百分之一英寸的速度開始生長。

圖2. 冰纖維的生長過程示意圖和形貌表征

由于冰微纖維直徑很小，只有幾微米，用肉眼很難觀察到。但是，低溫環(huán)境透射電子顯微鏡表征顯示，冰纖維是單晶沒有缺陷，且表面非常光滑（表面粗糙度 <1 µm）。

圖3. 冰微纖維的晶體結(jié)構(gòu)表征

能承受高達1.4GPa的應(yīng)力，最大彈性應(yīng)變接近理論極限

這種近乎完美的單晶特征，再加上微纖維表面沒有微觀缺陷，如微小的裂縫、孔隙，使得所制備得冰微纖維比天然存在的冰更有韌性。

為了證明微纖維的韌性，研究人員使用微型工具（如顯微操縱器）來推動微纖維。如圖所示，冷卻到 -150°C 后，直徑 4.4 µm 的光纖可以彎曲到小至 20 µm 的半徑。在該過程中，纖維表面近地表區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了 10.9% 的彈性應(yīng)變。相應(yīng)地，外纖維應(yīng)力達到~1.4 GPa。要知道，1 GPa是地球上~30 km深度的壓力。而且機械手收回后，纖維沒有殘留曲率，立馬恢復(fù)到原來的形狀。多根纖維均表現(xiàn)出相似的力學(xué)行為。

圖4. 冰微纖維的彈性性能表征

“水冰中彈性應(yīng)變的理論極限在 14% 到 16.2% 之間。以前，在冰中實驗觀察到的最大彈性應(yīng)變約為 0.3%，但我們所制備的冰微纖維的彈性應(yīng)變可以達到10.9%，接近其彈性應(yīng)變的理論極限。”童利民教授說道。“很少有任何材料具有如此接近理論極限的機械性能。”

進一步研究表明，高壓和低溫下，彎曲的冰微纖維內(nèi)側(cè)的密度會增加，從而產(chǎn)生可逆相變，由原來普遍存在的Ih晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楸鵌I晶體結(jié)構(gòu)。拉曼表征顯示，纖維彎曲數(shù)十秒之后出現(xiàn)冰II的特征峰，這表明微米級的冰Ih到II的轉(zhuǎn)變十分迅速。而在相同的應(yīng)力和溫度下，冰II在熱力學(xué)上更加穩(wěn)定。

圖5. 冰微纖維在急劇彎曲下的相變過程表征

同時，這也意味著可以通過冰纖維的彎曲來研究冰的相變。比如，在較低溫度下通過更急劇彎曲來獲得更高的應(yīng)變，從而有望可以研究 Ih 到 II 以及 III、V、VI 和 IX 相的冰相轉(zhuǎn)變。

能夠傳輸99%的可見光，未來有望用作光纖

此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，微纖維非常透明，可以沿其長度有效地傳輸光。當(dāng)研究人員將可見光發(fā)送到微纖維的一端時，超過 99% 的光會出現(xiàn)在另一端。

圖6. 冰微纖維的光學(xué)特性表征

“它們可以將光從一側(cè)引導(dǎo)到另一側(cè)。”童教授表示，它們的功能就像光纖，可以實現(xiàn)快速的互聯(lián)網(wǎng)通信。

總而言之，該研究展示的彈性 IMF 可能為探索冰物理提供了一個理想的平臺，并為各個學(xué)科的冰相關(guān)技術(shù)開辟了新的途徑。