Ученые создали новую гибкую форму льда

Водяной лед не всегда ведет себя так, как мы ожидаем, и его эластичность — или, скорее, ее отсутствие — прекрасный тому пример. Теоретически его максимальная упругая деформация должна составлять около 15%. В реальном мире максимальная когда-либо измеренная упругая деформация составляла менее 0,3% — при минимальной попытке как-либо согнуть лед, он мгновенно ломается.

Причина этого несоответствия заключается в том, что кристаллы льда имеют структурные дефекты, которые увеличивают их хрупкость. Поэтому группа исследователей во главе с Пэйчжэном Сюй, учёным в области нанотехнологий из Чжэцзянского университета (Китай), решила проверить, можно ли создать лед с минимальным количеством структурных дефектов.

Эксперимент состоял из вольфрамовой иглы в ультрахолодной камере, температура которой составляла -50 °C. В камеру выпускался водяной пар и прикладывалось электрическое поле. Это притягивало молекулы воды к кончику иглы, где они кристаллизовались, образуя микроволокно с максимальной шириной около 10 микрометров, меньшей, чем ширина человеческого волоса.

Следующим шагом было снижение температуры от -70 °C до -150 °C. При таких низких температурах исследователи попытались согнуть волокна льда. При температуре -150 °C они обнаружили, что микроволокно диаметром 4,4 микрометра может изгибаться в почти круглую форму с радиусом 20 микрометров.

New kind of ice is so bendy it can curl and uncurl withou breaking

Это предполагает максимальную упругую деформацию в 10,9%, что намного ближе к теоретическому пределу, чем в предыдущих попытках. Более того, когда исследователи выпустили лед, он снова принял свою прежнюю форму.

Хотя для нас лед выглядит одинаково, его кристаллическая структура может сильно отличаться. Каждая конфигурация молекул в кристалле льда называется фазой, и таких фаз довольно много. Переходы между фазами могут происходить в различных условиях, связанных с давлением и температурой.

С их гибким льдом команда отметила такой фазовый переход от формы льда, известной как лед Ih (гексагональная кристаллическая форма обычного льда, который встречается в природе) к ромбоэдрической форме льда II, который образуется при сжатии льда Ih. Этот переход происходил во время резких изгибов микроволокна льда при температуре ниже -70 °C и также был обратимым.

Наконец, команда попыталась использовать почти идеальный лед в качестве волновода для света, прикрепив оптический свет к одному концу микрофибры. Множественные длины волн передавались так же эффективно, как и современные встроенные в микросхемы волноводы, такие как нитрид кремния и диоксид кремния. Это позволяет предположить, что микроволокна льда могут использоваться в качестве гибких волноводов для оптических длин волн при низких температурах.

Продемонстрированные здесь эластичные микроволокна льда могут предложить альтернативную платформу для изучения физики льда и открыть ранее неизведанные возможности для технологий, связанных со льдом, в различных дисциплинах, заключают исследователи.