超燃！这个学校1天连续2篇Science，都是通讯单位！

纳米人

2021-07-11

2021年以来，浙江大学在精研学术和科技创新的道路上再创新高。作为第一单位，浙江大学在Science、Nature、Cell三大期刊发表至少10篇研究论文。

2021年7月9日，浙江大学作为通讯单位，在Science连续报道2篇研究论文。一篇是华中科技大学武汉光电国家研究中心陶光明研究小组和浙江大学光电科学与工程学院马耀光研究小组合作，报道了一种具有形态分级结构、可大批量制备的光学超材料织物（Metafabric），具有优异的日间辐射制冷能力（具体见纳米人公众号今天第一篇报道）。另一篇就是本文接下来要介绍的：浙江大学童利民、郭欣等人在冰纤维研究领域的最新成果。

第一作者：Peizhen Xu, Bowen Cui

通讯作者：童利民, 郭欣

通讯作者单位：浙江大学

研究亮点：

1. 水蒸气低温静电辅助合成高品质冰单晶纳米纤维材料

2. 这种不含缺陷结构的冰晶体具有优异的低温力学性能、光传递性能

主要内容

当水以冰形式存在时，通常被认为容易易碎、发生断裂，可逆拉伸形变量低于0.1 %。但是，浙江大学童利民、郭欣等通过研究，发现直径为微米或者更低的冰能够在不折断的同时，弯折形成数十微米圆形，而且纤维还能恢复为其本身结构，其可承受的应力极限值达到~15 %，冰的这种特质说明其表现弹性形变特征，这种冰纤维在可见光的传输过程中性能达到目前高性能的芯片级光波导，此外作者发现在较高的弯折作用中将产生近表面层由于压缩作用冰晶相从六方I_h变为三方I_r相。冰晶体中的强弹性形变、透光性说明材料中不存在缺陷结构，晶体结构转变说明冰晶体的晶格转变能垒较低。达特茅斯学院Erland M. Schulson对该研究的主要内容进行总结和评述。

背景

天然冰结构中存在孔隙、微弱的裂纹、晶界、晶体位错等缺陷结构，以及界面不平整等特征，这种冰的生长过程及其热-力学性质导致的缺陷结构，将导致影响应力、对可见光的散射。

新发展

图1. 低温静电作用生长单晶冰纤维

作者通过优化合成过程，通过电场增强生长方法合成了晶体结构完美的冰纤维，随后通过冷冻TEM验证得到的冰为不含缺陷位点的单晶晶体，具有光滑的表面结构（表面粗糙度<< span="">1 μm）。

弯折性能

图2. 冰单晶的可逆弯折性能

在-150 ℃中，直径4.4 μm的冰纤维能够弯折形成直径20 μm的圆形，该过程中在近表面区域产生的弹性应力达到10.9 %，相当于冰纤维的外表面上产生~1.4 GPa的应力，相当于在地下~42 km受到的应力。而且，在随后释放应力的过程中发现这种弯折作用是可逆的，未见冰单晶纤维中发现残留弯曲结构。作者通过平行实验，在制备的多个冰纤维考察弯折过程的力学性能，都观测到这种优异的力学性质，这种接近理论极限的力学性质很少在各种材料体系中实现。

光学性质

由于合成的单晶结构冰纤维不存在内部和外部缺陷，因此表现了较好的光学性质，作者进一步的通过可见光在冰纤维的传输性能进行说明，作者对可见光从冰纤维的一段传播至另一端过程中的光散射现象随传播距离的变化情况表征，发现冰纤维结构具有低温区间低损耗光波导的优势。

图3.冰单晶弯折结构处六方I_h→II型晶相转变

通常情况中冰以六方I_h 结构存在，这种六方对称结构导致雪花呈现特定六边形结构；但是在高压条件中，冰趋向于以密度更高的晶体形式存在。比如通过I_h转变为II型晶体，密度能够提高~25 %，从925提高至~1150 kg m^-3，因此体积在一定程度降低。形成高度弯折的部位，应力能达到~0.4 GPa，作者通过Raman光谱验证产生II型结构，这种晶体转变过程在~100 s内就能实现晶相转变，比体积更大的冰在动力学变化上更加迅速。

展望

这种单晶冰纤维材料具有10.9 %的晶格压缩/延展度，这种性能比以往相关报道结果提高了一个数量级，同时受到应力的冰单晶纤维能够产生晶相变化，当压缩应力高于3 %，冰的晶体结构将从I_h向II型结构转变；在较低的温度和更高的弯折程度，冰单晶纤维能够进一步转变为多种晶相，包括II型、III型、V型、VI型、IX型等。进一步的，作者认为冰单晶纤维有望用于低温传感器，包括分析分子吸附、环境变化、结构变化、表面形变等。

参考文献：

Erland M. Schulson, A flexible and springy form of ice, Science 2021, 373(6551), 158

DOI: 10.1126/science.abj4441

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/158

Peizhen Xu, Bowen Cui, Yeqiang Bu, Hongtao Wang, Xin Guo*, Pan Wang, Y. Ron Shen, Limin Tong*, Elastic ice microfibers, Science 2021, 373(6551), 187-192

DOI: 10.1126/science.abh3754

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/187