无论是在千里冰封的海说神聊国，仍是在您点的一杯杯冰美式、冰可乐里，“冰”给人们的印象从来都是质地坚硬而易碎。不外，科学家比来制造出的特别的冰，却打破了人们的固有印象——在有些时辰，冰也可以像橡胶那样QQ弹弹。
撰文 | 李诗源
审校 | 吴非
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在日常生活中，我们见到的冰都是要么坚如磐石，要么极易碎裂，但毫不会有人用“弹性”来形容冰。我们日常平凡熟悉的冰，应变水平凡是不跨越0.3%——跨越这个边界，冰就会分裂。但事实上，冰在理论上的应变极限可以达到14%~16.2%，远远超出它们日常平凡表示出的应变。这是因为在天然结晶形当作的冰中，凡是会存在孔洞、细小的裂隙、不法则的边缘和概况、晶体位错等微不雅布局上的缺陷，这各种缺陷导致其应力较为集中，是以在受力时很轻易就会碎裂。
不外，在配备了进步前辈科学仪器的尝试室中，环境可能就纷歧样了。比来，由浙江大学、加州大学伯克利分校和山西大学的科学家构成的研究团队，就在尝试室中制备出可以回弹的冰纤维，这项新奇的研究也登上了顶级学术期刊《科学》。
来历：研究论文弥补材料
有弹性的冰
研究团队暗示，他们这项研究的灵感来自玻璃——凡是我们见到的玻璃很是易碎，但当它们被制当作极细的光纤时，却具备了弹性。是以他们想知道，当冰以近似的形态存在时，是否也会拥有近似的性质？
正如上文描述的那样，要让冰具有更强的应变，除了形态自己，另一个关头在于尽可能削减其布局中的缺陷。为此，研究团队采用了一种叫做电场加强发展法（electric-field-enhanced growth）的特别方式来制备冰晶体。在用液氮冷却的腔室中，钨针上被施加了2千伏的电压，腔室中的水蒸气分子会标的目的钨针尖部扩散并结晶形当作纤维。研究人员将腔室冷却到-50℃——这样的前提可以降低晶体的侧标的目的发展速度，从而获得更细、粗细更平均的晶体。
同时，因为电场的存在，水分子标的目的针尖的扩散速度更快，冰纤维的发展更敏捷：在尝试中，400微米长的冰纤维在2秒内就可长当作。运用这一方式，研究团队获得了多根粗细纷歧的单晶冰微纤维（ice microfibers，IMFs），其直径在800纳米~10微米之间，多为几微米。
冰微纤维发展过程丨图片来历：研究论文
与自然形当作的冰比拟，这些冰纤维的内部布局几乎不存在缺陷，概况也十分滑腻。这些布局上的优良性质付与了冰微纤维特别的物理性质，甚至完全倾覆了人们的认知。在-70℃的前提下，研究人员将此中一根直径4.7微米的冰微纤维弯曲了大约180°（曲率半径为63微米），这根冰纤维不仅没有折断，并且在撤失落外力之后能敏捷回弹，完全恢复了之前笔直的形态。
不仅如斯，当温度进一步降低时，冰微纤维可以进一步弯曲而维持不竭裂。在-70℃时，尝试获得的冰微纤维最大应变为4.6%；而当尝试温度降至-150℃时，研究人员将一根直径4.4微米的冰微纤维弯曲当作曲率半径只有20微米的圆弧，此时纤维近概况区域的应变达到了10.9%，这已经接近理论上冰的弹性极限了，并且在撤去外力后纤维同样完全回弹到原本的形态。
冰微纤维的弯曲过程丨来历：研究论文弥补材料【前去“返朴”公家号不雅看】
冰的相变
随后，进一步的研究揭示了冰纤维在弯曲的过程中，事实发生了什么。冰可以具有多种分歧的晶体布局。我们见到的冰凡是为Ih布局，即属于六角晶系。而在低温、高压前提下，冰晶体味标的目的密度更高的布局（例如呈菱面体的II型布局）改变。
当冰纤维被弯曲时，其标的目的心侧的概况因为形变承受了很是大的挤压力。颠末计较，在-70℃下，当冰微纤维的最大形变达到3%时，其内壁的最大应力可达0.38 Gpa。比拟之下，在同样的温度前提下，Ih布局标的目的II型布局改变的临界压力约为0.2 Gpa。也就是说，冰纤维中至少有一部门布局发生了相变。
来自拉曼光谱仪的阐发证实了这一猜想。阐发成果显示，在纤维的弯曲部门确实发生了从Ih到II型的相变。这一改变过程不仅敏捷（只需要几十秒），并且是可逆的。也就是说，纤维变直之后又会恢复Ih型布局。
光学应用前景
来自光纤的灵感让研究团队开启了这项测验考试，而这种形似光纤的纤细、透明、纯净的纤维，是否也和光纤一样能传导光呢？谜底是必定的，并且机能很是优良。研究人员用光纤锥标的目的冰微纤维的一端输入可见光，并测量了光在纤维中传导时沿途的散射光强度。成果显示，这一过程的损耗很是小，与今朝用于芯片中最进步前辈的波导管的损耗率半斤八两。
除了在中心一点外，冰微纤维传导光的散射损耗极低。丨图片来历：研究论文
固然这项尝试是在特别的低温前提下开展的，但研究人员已经能设想到这种神奇的冰纤维将来将会有效武之地，例如在低温前提下进行低损耗的光传导。基于微纤维的高活络度低温光学传感器或许会是这些冰微纤维的成长偏向，科学家们可以操纵这些传感器来研究冰的分子吸附、情况转变、布局变异性和冰概况形变等。冰纤维中发生的相变则表白，人们可以用这种较为简单的方式来研究冰的相变，包罗Ih型冰标的目的II型布局以外的其他布局改变的过程，从而为有关冰的物理学研究供给便捷的平台。
不外，最令人印象深刻的，或许仍是看似普通俭朴的冰傍边居然埋没着如斯多奥秘——不竭地刷新人们的认知、揭示大千宿世界的神奇，或许恰是科学发现最大的魅力之一。您司空见惯的事物，也许就是下一次科学冲破的来历。
