Science:弹性冰微纤维

雨辰

2021-07-09

冰的一个众所周知的特征是它在受力时会断裂而不是弯曲。这种特性是由在凝固过程中不可避免地引入冰结构的缺陷造成的。冰的最大弹性应变远低于>10%的理论极限。纳米晶体、纳米线和超细纤维等低维形式的材料，由于缺陷密度较低，应力分布更均匀，其力学性能一般比块状晶体更优异。然而，目前一些实验室虽然生长了须状和针状等低维冰结构，但重点是研究冰的生长和形态，而不是研究其力学性能。

有鉴于此，浙江大学童利民教授和郭欣副教授等人，报道了以单晶冰微纤维(IMFs)的形式生长的冰（IMF）具有很高的弹性。

本文要点

1）通过采用一种生长温度远低于以前使用的电场增强生长方法，成功地生长了高质量和小直径（10µm到小于800 nm不等）的冰纤维。研究表明，生长的冰纤维是六边形单晶，其核心有六边形轴，表面光滑，截面长度均匀。

2）这种冰纤维可以弯曲，应变高达10.9%，远高于之前报告的最大应变，接近理论弹性极限（14至16.2%）。对弯曲的冰纤维进行拉曼光谱测量，检测到在-70°C和3%临界应变下，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。

3）除了优异的弹性和柔韧性，研究还发现，冰微纤维非常透明，可以沿其长度有效地传输光，有望用于低温工作下的低损耗光波导。

总之，弹性 IMF 为探索冰的物理性质提供了一个新的平台，为冰的应用开辟了新的方向。

参考文献：

Peizhen Xu et al. Elastic ice microfibers. Science, 2021.

DOI: 10.1126/science.abh3754

http://doi.org/10.1126/science.abh3754