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       在日常生活中，我們見到的冰都是要么堅(jiān)如磐石，要么極易碎裂，但絕不會(huì)有人用“彈性”來形容冰。我們平時(shí)熟悉的冰，應(yīng)變程度通常不超過0.3%——超過這個(gè)界限，冰就會(huì)破裂。但事實(shí)上，冰在理論上的應(yīng)變極限可以達(dá)到14%~16.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們平時(shí)表現(xiàn)出的應(yīng)變。這是因?yàn)樵谧匀唤Y(jié)晶形成的冰中，通常會(huì)存在孔洞、微小的裂隙、不規(guī)則的邊緣和表面、晶體位錯(cuò)等微觀結(jié)構(gòu)上的缺陷，這種種缺陷導(dǎo)致其應(yīng)力較為集中，因此在受力時(shí)很容易就會(huì)碎裂。

不過，在配備了先進(jìn)科學(xué)儀器的實(shí)驗(yàn)室中，情況可能就不一樣了。最近，由浙江大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校和山西大學(xué)的科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)，就在實(shí)驗(yàn)室中制備出可以回彈的冰纖維，這項(xiàng)新穎的研究也登上了頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

來源 | 研究論文補(bǔ)充材料     有彈性的冰

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們這項(xiàng)研究的靈感來自玻璃——通常我們見到的玻璃非常易碎，但當(dāng)它們被制成極細(xì)的光纖時(shí)，卻具備了彈性。因此他們想知道，當(dāng)冰以類似的形態(tài)存在時(shí)，是否也會(huì)擁有類似的性質(zhì)？

正如上文描述的那樣，要讓冰具有更強(qiáng)的應(yīng)變，除了形態(tài)本身，另一個(gè)關(guān)鍵在于盡可能減少其結(jié)構(gòu)中的缺陷。為此，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種叫做電場(chǎng)增強(qiáng)生長(zhǎng)法（electric-field-enhanced growth）的特殊方法來制備冰晶體。在用液氮冷卻的腔室中，鎢針上被施加了2千伏的電壓，腔室中的水蒸氣分子會(huì)向鎢針尖部擴(kuò)散并結(jié)晶形成纖維。研究人員將腔室冷卻到-50℃——這樣的條件可以降低晶體的側(cè)向生長(zhǎng)速率，從而得到更細(xì)、粗細(xì)更均勻的晶體。

同時(shí)，由于電場(chǎng)的存在，水分子向針尖的擴(kuò)散速度更快，冰纖維的生長(zhǎng)更迅速：在實(shí)驗(yàn)中，400微米長(zhǎng)的冰纖維在2秒內(nèi)就可長(zhǎng)成。運(yùn)用這一方法，研究團(tuán)隊(duì)得到了多根粗細(xì)不一的單晶冰微纖維（ice microfibers，IMFs），其直徑在800納米~10微米之間，多為幾微米。

冰微纖維生長(zhǎng)過程 | 研究論文

與天然形成的冰相比，這些冰纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎不存在缺陷，表面也十分光滑。這些結(jié)構(gòu)上的優(yōu)良性質(zhì)賦予了冰微纖維特殊的物理性質(zhì)，甚至完全顛覆了人們的認(rèn)知。在-70℃的條件下，研究人員將其中一根直徑4.7微米的冰微纖維彎曲了大約180°（曲率半徑為63微米），這根冰纖維不僅沒有折斷，而且在撤掉外力之后能迅速回彈，完全恢復(fù)了之前筆直的形態(tài)。

不僅如此，當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，冰微纖維可以進(jìn)一步彎曲而維持不斷裂。在-70℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的冰微纖維最大應(yīng)變?yōu)?.6%；而當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度降至-150℃時(shí)，研究人員將一根直徑4.4微米的冰微纖維彎曲成曲率半徑只有20微米的圓弧，此時(shí)纖維近表面區(qū)域的應(yīng)變達(dá)到了10.9%，這已經(jīng)接近理論上冰的彈性極限了，而且在撤去外力后纖維同樣完全回彈到原本的形態(tài)。

冰微纖維的彎曲過程 | 研究論文補(bǔ)充材料

冰的相變

隨后，進(jìn)一步的研究揭示了冰纖維在彎曲的過程中，究竟發(fā)生了什么。冰可以具有多種不同的晶體結(jié)構(gòu)。我們見到的冰通常為Ih結(jié)構(gòu)，即屬于六角晶系。而在低溫、高壓條件下，冰晶體會(huì)向密度更高的結(jié)構(gòu)（例如呈菱面體的II型結(jié)構(gòu)）轉(zhuǎn)變。

當(dāng)冰纖維被彎曲時(shí)，其向心側(cè)的表面由于形變承受了非常大的擠壓力。經(jīng)過計(jì)算，在-70℃下，當(dāng)冰微纖維的最大形變達(dá)到3%時(shí)，其內(nèi)壁的最大應(yīng)力可達(dá)0.38 Gpa。相比之下，在同樣的溫度條件下，Ih結(jié)構(gòu)向II型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界壓力約為0.2 Gpa。也就是說，冰纖維中至少有一部分結(jié)構(gòu)發(fā)生了相變。

來自拉曼光譜儀的分析證實(shí)了這一猜想。分析結(jié)果顯示，在纖維的彎曲部分確實(shí)發(fā)生了從Ih到II型的相變。這一轉(zhuǎn)變過程不僅迅速（只需要幾十秒），而且是可逆的。也就是說，纖維變直之后又會(huì)恢復(fù)Ih型結(jié)構(gòu)。

光學(xué)應(yīng)用前景

來自光纖的靈感讓研究團(tuán)隊(duì)開啟了這項(xiàng)嘗試，而這種形似光纖的纖細(xì)、透明、純凈的纖維，是否也和光纖一樣能傳導(dǎo)光呢？答案是肯定的，而且性能非常優(yōu)良。研究人員用光纖錐向冰微纖維的一端輸入可見光，并測(cè)量了光在纖維中傳導(dǎo)時(shí)沿途的散射光強(qiáng)度。結(jié)果顯示，這一過程的損耗非常小，與目前用于芯片中最先進(jìn)的波導(dǎo)管的損耗率相當(dāng)。

除了在中間一點(diǎn)外，冰微纖維傳導(dǎo)光的散射損耗極低。| 研究論文

雖然這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在特殊的低溫條件下開展的，但研究人員已經(jīng)能設(shè)想到這種神奇的冰纖維未來將會(huì)有用武之地，例如在低溫條件下進(jìn)行低損耗的光傳導(dǎo)。基于微纖維的高靈敏度低溫光學(xué)傳感器或許會(huì)是這些冰微纖維的發(fā)展方向，科學(xué)家們可以利用這些傳感器來研究冰的分子吸附、環(huán)境變化、結(jié)構(gòu)變異性和冰表面形變等。冰纖維中發(fā)生的相變則表明，人們可以用這種較為簡(jiǎn)單的方法來研究冰的相變，包括Ih型冰向II型結(jié)構(gòu)以外的其他結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程，從而為有關(guān)冰的物理學(xué)研究提供便捷的平臺(tái)。

不過，最令人印象深刻的，或許還是看似平凡樸實(shí)的冰當(dāng)中居然隱藏著如此多奧秘——不斷地刷新人們的認(rèn)知、揭示大千世界的神奇，或許正是科學(xué)發(fā)現(xiàn)最大的魅力之一。你司空見慣的事物，也許就是下一次科學(xué)突破的來源。

原始論文：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abj4441