在我們的常識中,大多數冰通常都很堅硬且易碎。


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


2021年7月8日凌晨,浙江大學童利民教授團隊在《Science》發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,然后再恢復到原來的形狀(見視頻)。而且,除了優異的彈性和柔韌性,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。


研究成果以“Elastic ice microfibers”為題,發表在世界頂級期刊《Science》上。浙江大學光學科學與工程學院Xu Peizhen和Cui Bowen為文章的第一作者,浙江大學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,開始研究冰。


原來,在我們日常生活中窗戶的玻璃是易碎的,但是長而薄的玻璃片(如光纖束)卻是柔韌的。受此啟發,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構缺陷,以及表面不規則,這也是大多數冰容易破碎的原因。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!


零下50度電場輔助生長冰微纖維,具有近乎完美的單晶結構


為應對上述挑戰,研究團隊嘗試了無數次,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。

浙大教授開發有史以來最具彈性和韌性的冰微纖維 可以彎曲、可以傳輸光!

圖1. 制備冰微纖維的實驗裝置示意圖


由于高壓產生了電場,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。

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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)。

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圖3. 冰微纖維的晶體結構表征


能承受高達1.4GPa的應力,最大彈性應變接近理論極限


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,纖維表面近地表區域內產生了 10.9% 的彈性應變。相應地,外纖維應力達到~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,立馬恢復到原來的形狀。多根纖維均表現出相似的力學行為。

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圖4. 冰微纖維的彈性性能表征


“水冰中彈性應變的理論極限在 14% 到 16.2% 之間。以前,在冰中實驗觀察到的最大彈性應變約為 0.3%,但我們所制備的冰微纖維的彈性應變可以達到10.9%,接近其彈性應變的理論極限?!蓖窠淌谡f道?!昂苌儆腥魏尾牧暇哂腥绱私咏碚摌O限的機械性能?!?


進一步研究表明,高壓和低溫下,彎曲的冰微纖維內側的密度會增加,從而產生可逆相變,由原來普遍存在的Ih晶體結構轉變為冰II晶體結構。拉曼表征顯示,纖維彎曲數十秒之后出現冰II的特征峰,這表明微米級的冰Ih到II的轉變十分迅速。而在相同的應力和溫度下,冰II在熱力學上更加穩定。

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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變,從而有望可以研究 Ih 到 II 以及 III、V、VI 和 IX 相的冰相轉變。


能夠傳輸99%的可見光,未來有望用作光纖


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

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圖6. 冰微纖維的光學特性表征


“它們可以將光從一側引導到另一側?!蓖淌诒硎?,它們的功能就像光纖,可以實現快速的互聯網通信。


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,并為各個學科的冰相關技術開辟了新的途徑。


文章來源: 高分子科學前沿

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