炎炎夏日，當(dāng)你在享受一杯冰鎮(zhèn)飲料的清爽冰涼時，也許會有這樣的念頭：杯子里的冰塊能否像QQ糖一樣有彈性呢？在人們的常識中，冰是一種透明易碎的脆性物質(zhì)，沒有彈性、無法彎折。
近日，浙江大學(xué)光電學(xué)院童利民教授團隊把“不可能變成可能”，他們聯(lián)合來自交叉力學(xué)中心和加州大學(xué)伯克利分校的合作者，發(fā)現(xiàn)生長成單晶微納光纖的冰，在性能上與玻璃光纖相似，既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光。
北京時間7月9日，相關(guān)研究結(jié)果在《科學(xué)》雜志以研究長文（Research Article）發(fā)表。論文的共同第一作者為浙大光電學(xué)院博士生許培臻和崔博文，共同通訊作者為浙大光電學(xué)院郭欣副教授和童利民教授，合作者包括浙大交叉力學(xué)中心卜葉強博士、王宏濤教授，浙大光電學(xué)院王攀研究員和加州大學(xué)伯克利分校沈元壤教授。
用冰來制備光纖
冰是地球及很多地外天體（地外行星、衛(wèi)星、彗星等）表面最普遍、最豐富和最重要的物質(zhì)之一，在物理化學(xué)、生命科學(xué)、大氣環(huán)境、地球物理學(xué)、天文學(xué)等很多領(lǐng)域中發(fā)揮不可替代的作用。從古至今，人類對冰的好奇心從未停息，特別是在過去的幾個世紀(jì)里，基于近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來的光學(xué)、電學(xué)和力學(xué)等實驗手段，人們對冰進行了廣泛深入的研究，從冰的高壓相、二維結(jié)構(gòu)等新形態(tài)，到電子束光刻等應(yīng)用探索，對冰的認識和應(yīng)用能力得到了很大的提升。
然而，作為最常見的物質(zhì)之一，我們對冰的認識仍然存在很大的未知空間。比如，我們通常認為，冰是一種脆性的易碎物質(zhì)，所以容易產(chǎn)生雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然現(xiàn)象。已有的實驗數(shù)據(jù)也支持上述認識，目前實驗測到的冰的最大彈性應(yīng)變?yōu)?/span>0.3%左右，大于這個值就會碎裂。雖然理論計算曾預(yù)測，理想情況下，冰的彈性應(yīng)變極限有可能大于10%，但是真實冰晶中由于存在結(jié)構(gòu)缺陷，能夠達到的應(yīng)變值遠低于理論極限。
另一方面，光纖作為一種將光約束和自由傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu)，是目前光場操控最有效的工具之一。將標(biāo)準(zhǔn)光纖直徑減小到波長甚至亞波長量級，成為微納光纖，提升或引入光場在空間約束、近場相互作用、表面增強、波導(dǎo)色散及光動量效應(yīng)等方面的調(diào)控能力，在近場耦合、光學(xué)傳感和量子光學(xué)等方面具有獨特優(yōu)勢，是目前光纖領(lǐng)域的前沿研究方向之一。微納光纖的光場調(diào)控能力，很大程度上取決于光纖材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)及其光場響應(yīng)特性。常規(guī)的玻璃光纖，主要成分為氧化硅（石英沙），是地殼中含量最豐富的材料之一，在光傳輸中具有寬帶低損耗等優(yōu)異特性，被“光纖之父”高錕先生稱為“古沙傳捷音”。
實際上，在地球及很多地外星球表面，比古沙更普遍的物質(zhì)是冰或液態(tài)水，童利民團隊提出能否用冰來制備光纖？在長達四年的研究中他們給出了肯定答案。
首次實現(xiàn)冰的彈性彎曲
“這是一個令人好奇的、有趣的問題，大約八年前，我和郭欣就討論過這個想法，但由于所涉及的實驗條件和技術(shù)要求很高，一時難以開展?！蓖裾f，2017年，在討論二年級博士生許培臻的研究方向時，再次提到了這個想法；當(dāng)時正在準(zhǔn)備本科畢設(shè)的崔博文，也加入了這個項目。他們專注的研究態(tài)度和出色的實驗動手能力，為實現(xiàn)這個想法提供了可能性。另外，當(dāng)時學(xué)校剛成立了冷凍電鏡中心，為低溫下的結(jié)構(gòu)表征提供了研究條件。
在這項研究中，結(jié)構(gòu)制備是關(guān)鍵的第一步。研究團隊自行搭建了生長裝置，在大量實驗基礎(chǔ)上，改進了已有的電場誘導(dǎo)冰晶制備方法，成功生長了直徑從800納米到10微米的高質(zhì)量冰單晶微納光纖。在冷凍電鏡下，驗證了這些沿c軸生長的冰單晶微納光纖具有很好的直徑均勻性和表面光滑度。
圖1 研究團隊生長的直徑均勻的冰單晶微納光纖
“作為光纖，必須能夠自由彎曲，才會更有用?！蓖裾f。為了探索冰微納光纖的力學(xué)性能，研究團隊發(fā)明了一套低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術(shù)，實現(xiàn)了液氮環(huán)境下微納結(jié)構(gòu)的靈活、精確操控。在零下150℃的冰微納光纖中，獲得了10.9%的彈性應(yīng)變，接近冰的理論彈性極限（遠高于此前報道的最高0.3%的應(yīng)變實驗值），實現(xiàn)了冰微納光纖的靈活彎曲。
圖2 冰單晶微納光纖彈性彎曲光學(xué)顯微鏡照片
視頻1 光學(xué)顯微鏡拍攝的冰單晶微納光纖彈性彎曲過程
未來應(yīng)用潛力廣泛
冰的分子結(jié)構(gòu)隨壓強改變而發(fā)生相變，一直是研究者們感興趣的問題。但是，由于產(chǎn)生相變所需的壓強通常在數(shù)千個大氣壓以上，需要使用特殊設(shè)計的金剛石壓砧等設(shè)備來獲得，實現(xiàn)條件不易。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過大應(yīng)變彎曲冰微納光纖，有可能為相變所需的高壓提供一種簡單的解決方案。“拉曼光譜是檢測相變最靈敏的方法之一，我們現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室在光譜測量技術(shù)方面有很好的基礎(chǔ)?！惫勒f。為此，研究團隊研制了一套結(jié)合低溫微納操控的原位顯微拉曼光譜測量系統(tǒng)，通過彈性彎曲冰微納光纖并原位實時測量最大應(yīng)變區(qū)域的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變超過3%時，就可以出現(xiàn)冰從Ih相（常壓相）轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>II相（高壓相之一）的特征拉曼峰。同時，通過彈性彎曲還可以為冰施加超過一萬個大氣壓的負壓，這是目前其他實驗方法難以做到的。因此，上述彈性彎曲技術(shù)為冰的相變動力學(xué)研究提供了一種新的實驗方法。
更進一步，材料對光場的響應(yīng)特性取決于其組成元素、分子結(jié)構(gòu)及其排列方式。研究團隊預(yù)測，由H2O分子規(guī)則排列而成的冰單晶微納光纖，在光的操控方面具有潛在優(yōu)勢。為了測試其光學(xué)特性，團隊利用其此前發(fā)明的近場耦合輸入技術(shù)，在可見光波段實現(xiàn)了冰微納光纖的寬帶光傳輸，傳輸損耗低達0.2dB/cm，與目前高質(zhì)量平面波導(dǎo)相當(dāng)，這種光操控能力為微納光纖用于低溫光學(xué)導(dǎo)波與傳感提供了新的技術(shù)可能。由于理想冰單晶在可見光波段具有極低的吸收和散射特性，進一步優(yōu)化制備和測試條件，將有可能在冰微納光纖實現(xiàn)超低損耗光傳輸。
圖3 冰微納光纖導(dǎo)光示意圖（左圖）及光學(xué)顯微鏡下的寬帶光傳輸實驗照片（右圖）
論文評審專家認為這項研究是“對冰物理認識的重大進步”，所展現(xiàn)的力學(xué)和光學(xué)特性“無疑是有趣的、獨特的，具有潛在的實際應(yīng)用價值”。
童利民認為，對于冰這樣一種自然界中最普遍、但又最神奇的物質(zhì)，相信該項研究結(jié)果將拓展人們對冰的認知邊界，激發(fā)人們開展冰基光纖在光傳輸、光傳感、冰物理學(xué)等方面的研究，以及發(fā)展適用于特殊環(huán)境的微納尺度冰基技術(shù)。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFB2200404）、國家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項目（11527901）、浙江省杰出青年科學(xué)基金（LR21F050002）及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目等支持。
