仅半月，浙大再发今年第7篇正刊：这篇Science的纤维竟然是用冰做的，还能弯曲！

第一作者：Peizhen Xu，Bowen Cui

通讯作者：郭欣，童利民

通讯单位：浙江大学，山西大学

众所周知，冰是一种坚硬易碎的晶体，变形时易发生破裂。 浙江大学郭欣副教授和童利民教授等人的这项最新研究证明，生长直径从10微米到小于800纳米的单晶冰微纤维具有较高弹性。 在低温下，可以将单晶冰微纤维可逆弯曲到 10.9% 的最大应变（接近理论弹性极限）。 并且在急剧弯曲的单晶冰微纤维的压缩侧可以观察到冰晶在压力诱导从 Ih 到 II 的相变。 高品质光学性能允许在单晶冰微纤维中实现低损耗光波导和回音壁模微谐振腔。 这些柔性冰纤维的发现为在微米和纳米尺度上探索冰物理和冰相变技术提供了机会。

单晶冰微纤维的生长和形貌

通过电子场增强法可以制备单晶冰微纤维，在此基础上，本研究进行了改进，选择在更低的温度（-50摄氏度）下进行晶体生长，通过该种方法可以降低晶体生长速率从而使得单晶冰微纤维可以生长成尺寸更小更均一的纤维。并且对钨针施加 2 kV 电压，以增强水气分子向针尖的扩散并加速纤维长度的增长。

在 -170°C 左右对单晶冰微纤维的形貌进行表征。 单晶冰微纤维的直径通常为几微米，但也可能小至数百纳米。单晶冰微纤一个典型特征是一个锥形末端，横截面为六边形。

Fig. 3A. 光学显微快照证实4.7 毫米直径的 IMF的弹性弯曲和未弯曲

单晶冰微纤维的弹性弯曲

在冷室中通过微操作将单晶冰微纤维弯曲，其在弯曲时会产生拉伸和压缩的应力。和冰晶体不同的是，单晶冰微纤维具有较高的弹性并且可以轻易恢复回弯曲前的状态。通过测量在两种不同温度（-70°C和-150°C）下不同直径单晶冰微纤维的弯曲程度，发现最大弹性应变分别为~4.6%（直径4.6 毫米）和 ~10.9%（直径4.4毫米)。该数值远高于已报道的其它形态的冰（例如<0.3%），并且在 c="">10%) 下测量的应变最大值已经接近理论弹性极限。并且，尽管已经发生较大形变，单晶冰微纤维依然可以恢复到原来形状。

高度弯曲下单晶冰微纤维的晶型变化

通过比较弯曲前后单晶冰微纤维的拉曼光谱发现在弯曲后，158和3225cm^-1下有额外的两个峰出现，其恰好对应于冰晶II的特征峰位，证实了弯曲后晶型的相变。并且发现在弯曲十秒钟内，可以在拉曼光谱中发现冰晶II的特征峰位，证实了冰晶的快速相变。

Fig. 4C. 单晶冰微纤维的拉曼光谱

单晶冰微纤维的光学表征

单晶冰微纤维较好的直径均一性以及较高的表面光滑度可以将其应用于低温下的光波导。通过将可见光引入单晶冰微纤维的底端可以发现沿纤维长度方向上不同波长下的光波导。并且光波导损失在525nm波长下仅为~0.2dB/cm。光波导损失主要来源于散射损失，是由单晶冰微纤维的结构缺陷引起。为研究激发回音壁模微谐振腔，将白光束垂直聚焦在单晶冰微纤维上，并在暗场中使用物镜收集散射信号，发现了在605nm波长下，品质因数约为60的TE模回音壁模微谐振腔的典型频谱，该结果和模拟数值相吻合。

Fig. 5E. 单晶冰微纤维中TE模回音壁模微谐振腔场分布模拟图

总结：

本研究证实了单晶冰微纤维高度韧性，并观察到在弯曲处发生的相变。并且进一步证明了单晶冰微纤维在光波导时较低的损失以及在可见光下的回音壁模微谐振腔，这对低温感应器的研究以及冰晶上的分子吸附等研究具有潜在价值。

文献信息：

Peizhen Xu, et al. " Elastic ice microfibers." (2021). https:// DOI: 10.1126/science.abh3754

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/187/tab-pdf