百變“小冰”傳遞光

張欣芳 張育新

眾所周知，冰是水在自然界中的固體形態(tài)，它是由水分子有序排列形成的硬而脆的晶體，當(dāng)它受到拉伸時，會破裂而不是彎曲，從而產(chǎn)生雪崩、冰川滑移、冰害等自然現(xiàn)象。目前，已有大量的實驗證明，冰的理論彈性應(yīng)變①很低，最大彈性應(yīng)變只有0.3% 左右，一旦超出這個值就會發(fā)生破裂，而且冰的實際應(yīng)變值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想情況下的值。

而我們對冰的認(rèn)識也存在一定的局限性。冰在全球陸地表面上占據(jù)的體積共有26660000立方千米，相當(dāng)于24000000立方千米的水。這足以證明，冰是地球上儲量最豐富、最普遍的物質(zhì)，它在環(huán)境學(xué)、生命科學(xué)、物理化學(xué)等領(lǐng)域有著舉足輕重的作用。從古至今，科學(xué)家們對冰的研究和探索從未停止，尤其是在過去的幾個世紀(jì)，他們采用光、電、力等手段，對冰的性質(zhì)、應(yīng)用范圍及能力進(jìn)行了一系列探索，從冰的高壓相、二維結(jié)構(gòu)的新形態(tài)，到電子束光刻等應(yīng)用探索，很大程度上提高了對冰的認(rèn)識和應(yīng)用能力。

那么，怎樣才能彌補冰由于實際的彈性應(yīng)變極限低而存在的結(jié)構(gòu)缺陷呢？據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)非常薄、可彎曲的冰微光纖能夠使其保持彈性，并且可以有效地傳輸光。由于冰的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生相變需要數(shù)千個大氣壓力以上，所以科學(xué)家們需要利用特殊的設(shè)備來進(jìn)行實驗。他們在冷凍電鏡中心提供的低溫條件下，改進(jìn)了電場誘導(dǎo)冰晶制備方法，制備出了800 nm～10μm 的冰單晶微納光纖，并利用低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)，使冰微納光纖在氮氣環(huán)境下可以運動并能精確操控。這項研究最突出的成果是，在-150℃的環(huán)境下，冰微納光纖的彈性應(yīng)變居然達(dá)到了10.9%，成功實現(xiàn)了其作為光纖的靈活彎曲。

在低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)下，冰單晶微納光纖的彈性應(yīng)變達(dá)到10.9%并可逆彎曲，成功使其彈性極限接近理論值。這讓人們對冰的物理認(rèn)識更進(jìn)一步，也啟發(fā)了人們用冰作為材料制備更多微納尺度的復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了冰微納光纖在低溫環(huán)境下的應(yīng)用前景。因為冰單晶微納光纖在光的操控方面頗具優(yōu)勢，可見光波段傳輸光的損耗可明顯降低。與其他玻璃光纖相比，它還可以用來制備生物傳感器，甚至在地外天體溫度極低的環(huán)境中也可以得到應(yīng)用。

基于近代光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，這一成果已經(jīng)在技術(shù)和創(chuàng)新上取得了重大進(jìn)步，推動了未來冰光纖在光傳輸、光傳感、冰物理學(xué)等方面的研究進(jìn)程，為我國在通信、電子技術(shù)、建筑領(lǐng)域等多個方面帶來了更多的便利。