浙大童利民教授Science,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!

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日淩晨,浙江大學童利民教授團隊在《Science》發文報導了這種神奇的冰—有史以來最具彈性和韌性的冰微纖維。而且,除了優异的彈性和柔韌性,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,有望用於低溫下工作的低損耗光波導。

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日淩晨,浙江大學童利民教授團隊在《Science》發文報導了這種神奇的冰—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麵條一樣彎曲成幾乎完整的圓形,然後再恢復到原來的形狀(見視頻)。而且,除了優异的彈性和柔韌性,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,有望用於低溫下工作的低損耗光波導。

視頻1冰微纖維的優异彈性

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矽(一種玻璃)後受到啟發,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製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

囙此,如何製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,終於提出了一種電場增强生長的方法:

首先,研究人員採用3D列印製作了一個直徑超過一英寸的圓形腔室,並使用液氮將腔室的溫度冷卻到-50℃;然後,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溫度的小室中來製造纖維。

圖1.製備冰微纖維的實驗裝置示意圖

由於高壓產生了電場,空氣中的水分子會在電場的作用下吸引到由鎢製成的針上。隨後,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徵

由於冰微纖維直徑很小,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徵顯示,冰纖維是單晶沒有缺陷,且表面非常光滑(表面粗糙度<1µm)

圖3.冰微纖維的晶體結構表徵

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徵,再加上微纖維表面沒有微觀缺陷,如微小的裂縫、孔隙,使得所製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後,直徑4.4µm的光纖可以彎曲到小至20µm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。而且機械手收回後,纖維沒有殘留曲率,馬上恢復到原來的形狀。多根纖維均表現出相似的力學行為。

圖4.冰微纖維的彈性效能表徵

“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%,但我們所製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。”童利民教授說道。“很少有任何資料具有如此接近理論極限的機械效能。”

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新增,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。拉曼表徵顯示,纖維彎曲數十秒之後出現冰II的特徵峰,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。

圖5.冰微纖維在急劇彎曲下的相變過程表徵

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。

能够傳輸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。

圖6.冰微纖維的光學特性表徵

“它們可以將光從一側引導到另一側。”童教授表示,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,並為各個學科的冰相關科技開闢了新的途徑。

原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號

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資料標籤: 科普
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