科學家制造出有彈性的冰

無論是在千里冰封的北國，還是在你點的一杯杯冰美式、冰可樂里，“冰” 給人們的印象從來都是質地堅硬而易碎。不過，科學家最近制造出的特殊的冰，卻打破了人們的固有印象——在有些時候，冰也可以像橡膠那樣QQ彈彈。

在日常生活中，我們見到的冰要么堅如磐石，要么極易碎裂，但絕不會有人用“彈性”來形容冰。我們平時熟悉的冰，應變程度通常不超過0.3%——超過這個界限，冰就會破裂。但事實上，冰在理論上的應變極限可以達到14%～16.2%，遠遠超出它們平時表現出的應變。這是因為在自然結晶形成的冰中，通常會存在孔洞、微小的裂隙、不規則的邊緣和表面、晶體位錯等微觀結構上的缺陷，這種種缺陷導致其應力較為集中，因此在受力時很容易就會碎裂。

不過，在配備了先進科學儀器的實驗室中，情況可能就不一樣了。最近，由浙江大學、加州大學伯克利分校和山西大學的科學家組成的研究團隊，就在實驗室中制備出可以回彈的冰纖維。

有彈性的冰

研究團隊表示，他們這項研究的靈感來自玻璃——通常我們見到的玻璃非常易碎，但當它們被制成極細的光纖時，卻具備了彈性。因此他們想知道，當冰以類似的形態存在時，是否也會擁有類似的性質？

正如上文描述的那樣，要讓冰具有更強的應變，除了形態本身，另一個關鍵在于盡可能減少其結構中的缺陷。為此，研究團隊采用了一種叫作電場增強生長法（electric-field-enhanced growth）的特殊方法來制備冰晶體。在用液氮冷卻的腔室中，鎢針上被施加了2千伏的電壓，腔室中的水蒸氣分子會向鎢針尖部擴散并結晶形成纖維。研究人員將腔室冷卻到-50℃——這樣的條件可以降低晶體的側向生長速率，從而得到更細、粗細更均勻的晶體。

同時，由于電場的存在，水分子向針尖的擴散速度更快，冰纖維的生長更迅速：在實驗中，400微米長的冰纖維在2秒內就可長成。運用這一方法，研究團隊得到了多根粗細不一的單晶冰微纖維（ice microfibers，IMFs），其直徑在800納米～10微米之間，多為幾微米。

冰微纖維生長過程

與天然形成的冰相比，這些冰纖維的內部結構幾乎不存在缺陷，表面也十分光滑。這些結構上的優良性質賦予了冰微纖維特殊的物理性質，甚至完全顛覆了人們的認知。在-70℃的條件下，研究人員將其中一根直徑4.7微米的冰微纖維彎曲了大約180°（曲率半徑為63微米），這根冰纖維不僅沒有折斷，而且在撤掉外力之后能迅速回彈，完全恢復了之前筆直的形態。

不僅如此，當溫度進一步降低時，冰微纖維可以進一步彎曲而維持不斷裂。在-70℃時，實驗得到的冰微纖維最大應變為4.6%；而當實驗溫度降至-150℃時，研究人員將一根直徑4.4微米的冰微纖維彎曲成曲率半徑只有20微米的圓弧，此時纖維近表面區域的應變達到了10.9%，這已經接近理論上冰的彈性極限了，而且在撤去外力后纖維同樣完全回彈到原本的形態。

冰的相變

隨后，進一步的研究揭示了冰纖維在彎曲的過程中，究竟發生了什么。冰可以具有多種不同的晶體結構。我們見到的冰通常為Ih結構，即屬于六角晶系。而在低溫、高壓條件下，冰晶體會向密度更高的結構（例如呈菱面體的II型結構）轉變。

當冰纖維被彎曲時，其向心側的表面由于形變承受了非常大的擠壓力。經過計算，在-70℃下，當冰微纖維的最大形變達到3%時，其內壁的最大應力可達0.38Gpa。相比之下，在同樣的溫度條件下，Ih結構向II型結構轉變的臨界壓力約為0.2Gpa。也就是說，冰纖維中至少有一部分結構發生了相變。

來自拉曼光譜儀的分析證實了這一猜想。分析結果顯示，在纖維的彎曲部分確實發生了從Ih到II型的相變。這一轉變過程不僅迅速（只需要幾十秒），而且是可逆的。也就是說，纖維變直之后又會恢復Ih型結構。

光學應用前景

來自光纖的靈感讓研究團隊開啟了這項嘗試，而這種形似光纖的纖細、透明、純凈的纖維，是否也和光纖一樣能傳導光呢？答案是肯定的，而且性能非常優良。研究人員用光纖錐向冰微纖維的一端輸入可見光，并測量了光在纖維中傳導時沿途的散射光強度。結果顯示，這一過程的損耗非常小，與目前用于芯片中最先進的波導管的損耗率相當。

除了在中間一點外，冰微纖維傳導光的散射損耗極低。

雖然這項實驗是在特殊的低溫條件下開展的，但研究人員已經能設想到這種神奇的冰纖維未來將會有用武之地，例如在低溫條件下進行低損耗的光傳導?；谖⒗w維的高靈敏度低溫光學傳感器或許會是這些冰微纖維的發展方向，科學家們可以利用這些傳感器來研究冰的分子吸附、環境變化、結構變異性和冰表面形變等。冰纖維中發生的相變則表明，人們可以用這種較為簡單的方法來研究冰的相變，包括Ih型冰向II型結構以外的其他結構轉變的過程，從而為有關冰的物理學研究提供便捷的平臺。

不過，最令人印象深刻的，或許還是看似平凡樸實的冰當中居然隱藏著如此多的奧秘——不斷地刷新人們的認知、揭示大千世界的神奇，或許正是科學發現最大的魅力之一。你司空見慣的事物，也許就是下一次科學突破的來源。