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。

　　撰文 | 李詩源

　　審校 | 吳非

　　在日常生活中，我們見到的冰都是要么堅如磐石，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，這項新穎的研究也登上了頂級學術期刊《科學》。

　　來源：研究論文補充材料

　　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做電場增強生長法（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。

　　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。

　　冰微纖維的彎曲過程（來源：研究論文補充材料）

　　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0.38 Gpa。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0.2 Gpa。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。

　　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。基于微纖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。

　　原始論文：

　　https：//science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abj4441

　　本文轉自環球科學