冰也有弹性！浙大团队成功生长高质量冰单晶微纳光纤，实现10.9%的弹性应变 | 专访
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冰也能有弹性，浙大团队的最新成果做到了！
图 | 光学显微镜拍摄的冰单晶微纳光纤弹性弯曲过程（来源：受访者）
在中国夏天有一种食物叫冰粉，晶莹剔透的冰粉浇一勺红糖水，Q 弹地注入喉咙，是很多人的心头好。而冰粉之所以带个 “冰” 字，是因其外形酷似冰块，但却弹性十足、一捏就会碎。
但是真实世界的冰非常坚硬，人们甚至可以在冰上行走。而作为科学家的浙江大学光电学院童利民教授，几年前就曾猜想，冰是否也有可能像粉条一样有弹性？
图 | 童利民和团队（来源：资料图）
他告诉 DeepTech，冰之所以不能弯曲，是因为它的缺陷太多，一般冰的表面都有小气泡或者裂纹，或者说冰在生长时不是完美单晶，而如果是完美单晶则有可能具备弹性。
日前，童利民团队联合浙大交叉力学中心、以及加州大学伯克利分校的合作者，发现当冰生长成单晶微纳光纤时，就可以灵活弯曲，并且具有和玻璃光纤类似的性能，且能以较低的损耗传输光。
（来源：受访者）
北京时间 7 月 9 日，相关论文发表在 Science，论文标题为《弹性冰微纳光纤》 （Elastic ice microfibers）。
图 | 相关论文（来源：受访者）
对于该研究，论文审稿人评价称这是 “对冰物理认识的重大进步”“所展现的力学和光学特性无疑是有趣的、独特的，具有潜在的实际应用价值”。
首次获得接近理想质量的冰单晶微纳光纤，实现冰的弹性弯曲
在地球和地外天体比如彗星等表面，冰是最丰富也是最重要的物质之一，在诸多科学领域中也发挥着重要作用。
尽管通过光学、电学和力学等实验手段，科学家已对冰的新形态、比如高压相和二维结构等做了探索，甚至也研发出电子束光刻等应用。但是，目前我们并未完全认识冰的全貌。
冰川滑移、雪崩、和海冰碎裂等自然现象，让很多人以为冰一定是易碎的。相关实验数据也对此予以证实，科学家发现当冰的最大弹性应变超过 0.3%，就会产生碎裂。
虽然理论预测显示，冰的弹性应变极限存在大于 10% 的可能，但由于现实世界的冰块存在结构缺陷，因此很难达到弹性应变极限值。
（来源：受访者）
而作为一种能约束光、以及能让光自由传输的功能结构，光纤是当前最有效的光场操控工具之一。
当把标准光纤的直径，减小到波长量级、甚至亚波长量级之后，光纤就能变成微纳光纤，从而可提升对光场的空间约束、表面增强、波导色散、近场相互作用、以及光动量效应等方面的调控能力，这会让光纤在光学传感、近场耦合和量子光学等方面产生独特优势，也是目前光纤领域的前沿研究方向之一。
而微纳光纤的光场调控能力，主要取决于光纤的材料结构、及其对光场的响应特性。以我们熟悉的玻璃光纤为例，它主要由氧化硅即石英沙构成，氧化硅在地壳中的含量非常丰富，当用于光传输时具备宽带低损耗的优点。
但是，在地球乃至很多外星球上，冰（或液态水）的含量可能比氧化硅更丰富。那么，用冰来制备光纤，是不是更能物尽其用？
事实上早在七八年前，童利民和论文共同通讯作者郭欣，就讨论过用冰来做光纤的想法，由于实验条件和相关技术受限，当时未能开展研究。
直到 2017 年，该团队在讨论一位博士生的研究方向时，再次提到这一想法。但是，做该研究的必要条件之一是，具备在低温下做结构表征的能力，好在当时浙大的冷冻电镜中心也已建立。
用冰做光纤的关键第一步是结构制备，为此该团队搭建了生长装置，借助大量实验积累的经验，对已有电场诱导冰晶的制备方法加以改进，使用更低的温度和饱和蒸气压，在几秒钟之内就能生长出直径 800 纳米至 10 微米的高质量冰单晶微纳光纤。通过冷冻电镜，他们发现这些冰单晶微纳光纤沿 c 轴生长，而且具备很好的表面光滑度和直径均匀性。
图 | 生长的直径均匀的冰单晶微纳光纤（来源：受访者）
作为光纤，必须能够自由弯曲，才算是一根合格的光纤。为此，团队又研发出一套低温微纳操控和转移技术，让冰单晶微纳光纤在液氮环境下，可以实现灵活精确的微纳操控。
图 | 冰单晶微纳光纤弹性弯曲光学显微镜照片（来源：受访者）
该团队发现，当冰微纳光纤处于零下 150℃ 时，即可实现灵活弹性弯曲，最高可达到 10.9% 的弹性应变，这不仅远超此前报道的 0.3% 最高应变实验值，而且非常接近冰的理论弹性极限。
谈及制备成本，童利民告诉 DeepTech：“搭建生长系统需要一定的成本，主要涉及到 3D 打印制备生长腔、以及光学监控和高压电源等设备。生长系统建好后，只需两三秒钟就能做出光纤。施加的电流也很小，几乎可以忽略不计，使用的水蒸气也很少，因为冰纳米光纤的直径很小，长度也很短基本上在 1mm 之内。所以，把生长系统搭建完成之后，制作冰微纳光纤基本上没有什么成本。”
搭建低温原位显微拉曼光谱测量系统，检测冰的结构变化
童利民告诉 DeepTech：“冰的结构相指的是在不同的压力下，分子的排列结构不同。而在冰的大应变弯曲处测量拉曼光谱（Raman spectra，一种散射光谱），可以检测冰的结构是否发生相变。”
压强变化会让冰分子结构发生相变，尽管很多学者都对此感兴趣，但由于通常需要数千个以上的大气压，才能让冰产生相变。所以此前的实验要求极高，只有使用金刚石压砧等特殊设计的实验装置，才能完成研究。
是否有更简单方法？该团队发现，让冰微纳光纤进行大应变弹性弯曲，可给冰相变提供所需的高压。
有了这一发现，接下来是对其进行验证。检测相变的最灵敏方法之一，正是上文提到的拉曼光谱。
基于浙大现代光学仪器国家重点实验室在光谱测量技术方面的积累，该团队又研发一套结合低温微纳操控的原位显微拉曼光谱测量系统。
接下来，他们在冰微纳光纤的弹性弯曲过程中，利用上述测量系统，对冰微纳光纤最大应变区域进行了实时拉曼光谱测量。
通过对特征拉曼峰的分析发现，当冰微纳光纤的应变大于 3% 时，冰就会从 Ih 相的常压相、转到 II 相的高压相。
该团队还发现，利用弹性弯曲还可给冰施加一万多个大气压的负压，目前尚无其他实验方法可以做到。这意味着，这项弹性弯曲技术给冰的相变动力学研究，带来了新的实验方法。
另外，材料对光场的响应特性，主要受到分子结构及其排列方式、以及材料组成元素的影响。而冰单晶微纳光纤由 H₂O 分子规则排列而成，基于此童利民预测，冰单晶微纳光纤可能具备特殊的光操控优势。
为测试这一潜在优势，他使用此前该团队发明的近场耦合输入技术，让冰微纳光纤在可见光波段实现了宽带光传输，而且传输损耗只有 0.2dB/cm，这和当下的高质量平面波导相当。
图 | 左图：冰微纳光纤导光示意图；右图：光学显微镜下的宽带光传输实验照片（来源：受访者）
就微纳光纤在低温光学导波与传感上的应用来说，这种光操控能力提供了新的技术可能。在可见光波段，理想冰单晶具备极低的吸收特性和散射特性，因此一旦对制备条件和测试条件进行优化，就有望在冰微纳光纤中实现超低损耗光传输。
潜在应用：可用冰制作低温下的工具
童利民认为，该研究不仅再次拓展了人类对于冰的认知边界，也可激发更多人开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，此外还能发展出用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。
比如在低温环境下，理想质量的冰的机械特性，和陶瓷和玻璃这些结构材料相差无几，如果把冰做成微型弹簧或者螺丝刀，也有可能发挥类似功能，但却会极大节省材料成本。
不过他也表示，目前冰微纳光纤的应用离大家日常生活距离还比较远，在科学研究方面可实现较快的应用。此次成果发表之后，很多实验室都可使用这类微纳光纤去作为基本结构，从而去研究冰和类似材料的物理特性。
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