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我敢打赌,你从没见过这么弯的冰

无论是在千里冰封的北国,还是在你点的一杯杯冰美式、冰可乐里,“冰”给人们的印象从来都是质地坚硬而易碎。不过,科学家最近制造出的特殊的冰,却打破了人们的固有印象——在有些时候,冰也可以像橡胶那样QQ弹弹。
 
撰文 | 李诗源
 
审校 | 吴非
来源:pixabay
 
在日常生活中,我们见到的冰都是要么坚如磐石,要么极易碎裂,但绝不会有人用“弹性”来形容冰。我们平时熟悉的冰,应变程度通常不超过0.3%——超过这个界限,冰就会破裂。但事实上,冰在理论上的应变极限可以达到14%~16.2%,远远超出它们平时表现出的应变。这是因为在自然结晶形成的冰中,通常会存在孔洞、微小的裂隙、不规则的边缘和表面、晶体位错等微观结构上的缺陷,这种种缺陷导致其应力较为集中,因此在受力时很容易就会碎裂。
 
不过,在配备了先进科学仪器的实验室中,情况可能就不一样了。最近,由浙江大学、加州大学伯克利分校和山西大学的科学家组成的研究团队,就在实验室中制备出可以回弹的冰纤维,这项新颖的研究也登上了顶级学术期刊《科学》。
来源:研究论文补充材料
 
有弹性的冰
 
研究团队表示,他们这项研究的灵感来自玻璃——通常我们见到的玻璃非常易碎,但当它们被制成极细的光纤时,却具备了弹性。因此他们想知道,当冰以类似的形态存在时,是否也会拥有类似的性质?
 
正如上文描述的那样,要让冰具有更强的应变,除了形态本身,另一个关键在于尽可能减少其结构中的缺陷。为此,研究团队采用了一种叫做电场增强生长法(electric-field-enhanced growth)的特殊方法来制备冰晶体。在用液氮冷却的腔室中,钨针上被施加了2千伏的电压,腔室中的水蒸气分子会向钨针尖部扩散并结晶形成纤维。研究人员将腔室冷却到-50℃——这样的条件可以降低晶体的侧向生长速率,从而得到更细、粗细更均匀的晶体。
 
同时,由于电场的存在,水分子向针尖的扩散速度更快,冰纤维的生长更迅速:在实验中,400微米长的冰纤维在2秒内就可长成。运用这一方法,研究团队得到了多根粗细不一的单晶冰微纤维(ice microfibers,IMFs),其直径在800纳米~10微米之间,多为几微米。
冰微纤维生长过程丨来源:研究论文
 
与天然形成的冰相比,这些冰纤维的内部结构几乎不存在缺陷,表面也十分光滑。这些结构上的优良性质赋予了冰微纤维特殊的物理性质,甚至完全颠覆了人们的认知。在-70℃的条件下,研究人员将其中一根直径4.7微米的冰微纤维弯曲了大约180°(曲率半径为63微米),这根冰纤维不仅没有折断,而且在撤掉外力之后能迅速回弹,完全恢复了之前笔直的形态。
 
不仅如此,当温度进一步降低时,冰微纤维可以进一步弯曲而维持不断裂。在-70℃时,实验得到的冰微纤维最大应变为4.6%;而当实验温度降至-150℃时,研究人员将一根直径4.4微米的冰微纤维弯曲成曲率半径只有20微米的圆弧,此时纤维近表面区域的应变达到了10.9%,这已经接近理论上冰的弹性极限了,而且在撤去外力后纤维同样完全回弹到原本的形态。
 
冰的相变
 
随后,进一步的研究揭示了冰纤维在弯曲的过程中,究竟发生了什么。冰可以具有多种不同的晶体结构。我们见到的冰通常为Ih结构,即属于六角晶系。而在低温、高压条件下,冰晶体会向密度更高的结构(例如呈菱面体的II型结构)转变。
 
当冰纤维被弯曲时,其向心侧的表面由于形变承受了非常大的挤压力。经过计算,在-70℃下,当冰微纤维的最大形变达到3%时,其内壁的最大应力可达0.38 Gpa。相比之下,在同样的温度条件下,Ih结构向II型结构转变的临界压力约为0.2 Gpa。也就是说,冰纤维中至少有一部分结构发生了相变。
 
来自拉曼光谱仪的分析证实了这一猜想。分析结果显示,在纤维的弯曲部分确实发生了从Ih到II型的相变。这一转变过程不仅迅速(只需要几十秒),而且是可逆的。也就是说,纤维变直之后又会恢复Ih型结构。
 
光学应用前景
 
来自光纤的灵感让研究团队开启了这项尝试,而这种形似光纤的纤细、透明、纯净的纤维,是否也和光纤一样能传导光呢?答案是肯定的,而且性能非常优良。研究人员用光纤锥向冰微纤维的一端输入可见光,并测量了光在纤维中传导时沿途的散射光强度。结果显示,这一过程的损耗非常小,与目前用于芯片中最先进的波导管的损耗率相当。
除了在中间一点外,冰微纤维传导光的散射损耗极低。丨来源:研究论文
 
虽然这项实验是在特殊的低温条件下开展的,但研究人员已经能设想到这种神奇的冰纤维未来将会有用武之地,例如在低温条件下进行低损耗的光传导。基于微纤维的高灵敏度低温光学传感器或许会是这些冰微纤维的发展方向,科学家们可以利用这些传感器来研究冰的分子吸附、环境变化、结构变异性和冰表面形变等。冰纤维中发生的相变则表明,人们可以用这种较为简单的方法来研究冰的相变,包括Ih型冰向II型结构以外的其他结构转变的过程,从而为有关冰的物理学研究提供便捷的平台。
 
不过,最令人印象深刻的,或许还是看似平凡朴实的冰当中居然隐藏着如此多奥秘——不断地刷新人们的认知、揭示大千世界的神奇,或许正是科学发现最大的魅力之一。你司空见惯的事物,也许就是下一次科学突破的来源。
 
本文经授权转载自微信公众号“环球科学”。
 
原始论文:https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abj4441
 



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