脑洞大开！浙大童利民教授Science：有史以来最具弹性和韧性的冰微纤维！可以弯曲、可以传输光！

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

在我们的常识中，大多数冰通常都很坚硬且易碎。

然而，你是否知道？当冰以细小的链状生长成长冰晶时，它不仅可以弯曲，还可以恢复到原来的形状。

2021年7月8日凌晨，浙江大学童利民教授团队在《Science》发文报道了这种神奇的冰—有史以来最具弹性和韧性的冰微纤维。这种冰微纤维可以像煮熟的面条一样弯曲成几乎完整的圆形，然后再恢复到原来的形状（见视频）。而且，除了优异的弹性和柔韧性，该冰微纤维还可以像最先进的片上光导一样沿其长度方向传输光线，有望用于低温下工作的低损耗光波导。

冰微纤维的优异弹性

研究成果以“Elastic ice microfibers”为题，发表在世界顶级期刊《Science》上。浙江大学光学科学与工程学院Xu Peizhen和Cui Bowen为文章的第一作者，浙江大学Guo xin教授和童利民教授为文章的通讯作者。

灵感从何而来？

童利民教授称，他们是在使用二氧化硅（一种玻璃）后受到启发，开始研究冰。

原来，在我们日常生活中窗户的玻璃是易碎的，但是长而薄的玻璃片（如光纤束）却是柔韧的。受此启发，研究人员大胆猜想，或许冰也是如此。

然而，自然界的冰通常含有气孔、微裂纹、晶界、晶体位错和其他微观结构缺陷，以及表面不规则，这也是大多数冰容易破碎的原因。而童教授和他的同事们需要制造符合非常特殊规格的冷冻水，这种冰必须近乎完美，没有任何缺陷。

因此，如何制备几乎没有缺陷的长冰晶是一大挑战！

零下50度电场辅助生长冰微纤维，具有近乎完美的单晶结构

为应对上述挑战，研究团队尝试了无数次，终于提出了一种电场增强生长的方法：

首先，研究人员采用 3D 打印制作了一个直径超过一英寸的圆形腔室，并使用液氮将腔室的温度冷却到-50 ℃；然后，他们通过施加了2000V电压的针尖将水蒸气输送到保持在 -50°C 温度的小室中来制造纤维。

图1. 制备冰微纤维的实验装置示意图

由于高压产生了电场，空气中的水分子会在电场的作用下吸引到由钨制成的针上。随后，棒状的冰微纤维在针尖处以大约每秒百分之一英寸的速度开始生长。

图2. 冰纤维的生长过程示意图和形貌表征

由于冰微纤维直径很小，只有几微米，用肉眼很难观察到。但是，低温环境透射电子显微镜表征显示，冰纤维是单晶没有缺陷，且表面非常光滑（表面粗糙度 <1 µm）。

图3. 冰微纤维的晶体结构表征

能承受高达1.4GPa的应力，最大弹性应变接近理论极限

这种近乎完美的单晶特征，再加上微纤维表面没有微观缺陷，如微小的裂缝、孔隙，使得所制备得冰微纤维比天然存在的冰更有韧性。

为了证明微纤维的韧性，研究人员使用微型工具（如显微操纵器）来推动微纤维。如图所示，冷却到 -150°C 后，直径 4.4 µm 的光纤可以弯曲到小至 20 µm 的半径。在该过程中，纤维表面近地表区域内产生了 10.9% 的弹性应变。相应地，外纤维应力达到~1.4 GPa。要知道，1 GPa是地球上~30 km深度的压力。而且机械手收回后，纤维没有残留曲率，立马恢复到原来的形状。多根纤维均表现出相似的力学行为。

图4. 冰微纤维的弹性性能表征

“水冰中弹性应变的理论极限在 14% 到 16.2% 之间。以前，在冰中实验观察到的最大弹性应变约为 0.3%，但我们所制备的冰微纤维的弹性应变可以达到10.9%，接近其弹性应变的理论极限。”童利民教授说道。“很少有任何材料具有如此接近理论极限的机械性能。”

进一步研究表明，高压和低温下，弯曲的冰微纤维内侧的密度会增加，从而产生可逆相变，由原来普遍存在的Ih晶体结构转变为冰II晶体结构。拉曼表征显示，纤维弯曲数十秒之后出现冰II的特征峰，这表明微米级的冰Ih到II的转变十分迅速。而在相同的应力和温度下，冰II在热力学上更加稳定。

图5. 冰微纤维在急剧弯曲下的相变过程表征

同时，这也意味着可以通过冰纤维的弯曲来研究冰的相变。比如，在较低温度下通过更急剧弯曲来获得更高的应变，从而有望可以研究 Ih 到 II 以及 III、V、VI 和 IX 相的冰相转变。

能够传输99%的可见光，未来有望用作光纤

此外，研究团队还发现，微纤维非常透明，可以沿其长度有效地传输光。当研究人员将可见光发送到微纤维的一端时，超过 99% 的光会出现在另一端。

图6. 冰微纤维的光学特性表征

“它们可以将光从一侧引导到另一侧。”童教授表示，它们的功能就像光纤，可以实现快速的互联网通信。

总而言之，该研究展示的弹性 IMF 可能为探索冰物理提供了一个理想的平台，并为各个学科的冰相关技术开辟了新的途径。

童利民教授简介

童利民，浙江大学光电科学与工程学院教授，主要研究方向为微纳光子学理论基础、功能结构及器件应用。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，美国光学学会会士（OSA Fellow）。

童教授于1987年进入浙江大学学习，先后获学士（物理学，1991年）、硕士（光学，1994年）及博士（半导体材料，1997年）学位，1997年留校工作，2001-2004年先后受包氏奖学金及哈佛大学CIMS中心资助在哈佛大学Mazur研究组开展访问研究，首次实现亚波长直径纳米光纤的低损耗传输；2004年回浙江大学建立微纳光子学研究团队，在微纳光纤传感器、纳米激光器、全光超快调制器及片上集成光子器件等方面取得重要进展，3项研究成果入选 “中国光学十大进展”，10余项研究成果被Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Laser Focus World等专题报道；出版学术专著（编著）2本，在Nature等发表学术论文200余篇，他引8000余次；入选Elsevier发布的《中国高被引学者榜单》（2015年-至今）及《全球电力电子工程领域高被引用学者名单》（2016年）。

曾获得国防科学技术奖、中国青年科技奖、霍英东基金会高校青年教师奖、中国光学学会“王大珩”光学奖、浙江省自然科学奖等奖励；担任国家自然科学基金委重大研究计划专家、美国光学学会R. W. Wood奖评奖委员会主席、光学领域权威期刊Optica及Optics Express副编辑，Optics Communications、Chinese Optics Letters、Chinese Physics B、Photonic Sensors、Sensors等期刊编委。多次担任包括CLEO-PR等重要国际学术会议大会主席（共主席），在国内外学术会议做邀请报告100余次，包括在OFS、ECOC等本领域权威国际学术会议做Plenary、Tutorial或Keynote报告10余次，应邀撰写综述文章10余篇。指导的20余位博士毕业生中，3人入选国家优秀青年科学基金或百人计划特聘研究员，2篇博士学位论文入选全国优秀博士学位论文（提名）及全国光学优秀博士学位论文。

研究组主页：

http://www.nanophotonics.zju.edu.cn/

参考文献：

1. P. Xu et al., Elastic ice microfibers,Science 373, 187 (2021). DOI: 10.1126/science.abh3754

2. Erland M. Schulson, A flexible and springy form of ice, Science 373 (6551), 158. DOI: 10.1126/science.abj4441

编者按：本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿