百变“小冰”传递光

张欣芳 张育新

众所周知，冰是水在自然界中的固体形态，它是由水分子有序排列形成的硬而脆的晶体，当它受到拉伸时，会破裂而不是弯曲，从而产生雪崩、冰川滑移、冰害等自然现象。目前，已有大量的实验证明，冰的理论弹性应变①很低，最大弹性应变只有0.3% 左右，一旦超出这个值就会发生破裂，而且冰的实际应变值远远低于理想情况下的值。

而我们对冰的认识也存在一定的局限性。冰在全球陆地表面上占据的体积共有26660000立方千米，相当于24000000立方千米的水。这足以证明，冰是地球上储量最丰富、最普遍的物质，它在环境学、生命科学、物理化学等领域有着举足轻重的作用。从古至今，科学家们对冰的研究和探索从未停止，尤其是在过去的几个世纪，他们采用光、电、力等手段，对冰的性质、应用范围及能力进行了一系列探索，从冰的高压相、二维结构的新形态，到电子束光刻等应用探索，很大程度上提高了对冰的认识和应用能力。

那么，怎样才能弥补冰由于实际的弹性应变极限低而存在的结构缺陷呢？据研究发现，培养非常薄、可弯曲的冰微光纤能够使其保持弹性，并且可以有效地傳输光。由于冰的分子结构发生相变需要数千个大气压力以上，所以科学家们需要利用特殊的设备来进行实验。他们在冷冻电镜中心提供的低温条件下，改进了电场诱导冰晶制备方法，制备出了800 nm～10μm 的冰单晶微纳光纤，并利用低温微纳操控和转移技术，使冰微纳光纤在氮气环境下可以运动并能精确操控。这项研究最突出的成果是，在-150℃的环境下，冰微纳光纤的弹性应变居然达到了10.9%，成功实现了其作为光纤的灵活弯曲。

在低温微纳操控和转移技术下，冰单晶微纳光纤的弹性应变达到10.9%并可逆弯曲，成功使其弹性极限接近理论值。这让人们对冰的物理认识更进一步，也启发了人们用冰作为材料制备更多微纳尺度的复杂功能结构。

科学家们还发现了冰微纳光纤在低温环境下的应用前景。因为冰单晶微纳光纤在光的操控方面颇具优势，可见光波段传输光的损耗可明显降低。与其他玻璃光纤相比，它还可以用来制备生物传感器，甚至在地外天体温度极低的环境中也可以得到应用。

基于近代光学、电学和力学等领域的快速发展，这一成果已经在技术和创新上取得了重大进步，推动了未来冰光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究进程，为我国在通信、电子技术、建筑领域等多个方面带来了更多的便利。