本报讯 冰块像QQ糖一样Q弹！近日，浙江大学光电学院教授童利民团队把“不可能变成可能”，他们联合来自交叉力学中心和美国加州大学伯克利分校的合作者，发现生长成单晶微纳光纤的冰，在性能上与玻璃光纤相似，既能够灵活弯曲，又可以低损耗传输光。相关研究结果在《科学》杂志长文发表。
实际上，在地球及很多地外星球表面，冰或液态水是比制备玻璃光纤的沙子更普遍的物质，童利民团队提出能否用冰来制备光纤？在长达四年的研究中他们给出了肯定答案。
“这是一个令人好奇的、有趣的问题，大约八年前，我和我们研究团队的郭欣老师就讨论过这个想法，但由于所涉及的实验条件和技术要求很高，一时难以开展。”童利民说，2017年，随着条件逐渐具备，团队重启这个项目。
在这项研究中，结构制备是关键的第一步。研究团队自行搭建了生长装置，在大量实验基础上，改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，成功生长了直径从800纳米到10微米的高质量冰单晶微纳光纤。在冷冻电镜下，验证了这些沿c轴生长的冰单晶微纳光纤具有很好的直径均匀性和表面光滑度。
“作为光纤，必须能够自由弯曲，才会更有用。”童利民说。为了探索冰微纳光纤的力学性能，研究团队发明了一套低温微纳操控和转移技术，实现了液氮环境下微纳结构的灵活、精确操控。在零下150℃的冰微纳光纤中，获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限(远高于此前报道的最高0.3%的应变实验值)，实现了冰微纳光纤的灵活弯曲。
研究团队发现，通过大应变弯曲冰微纳光纤，有可能为相变所需的高压提供一种简单的解决方案。“拉曼光谱是检测相变最灵敏的方法之一，我们现代光学仪器国家重点实验室在光谱测量技术方面有很好的基础。”郭欣说。
更进一步，材料对光场的响应特性取决于其组成元素、分子结构及其排列方式。研究团队预测，由H2O分子规则排列而成的冰单晶微纳光纤，在光的操控方面具有潜在优势。为了测试其光学特性，团队利用其此前发明的近场耦合输入技术，在可见光波段实现了冰微纳光纤的宽带光传输，传输损耗低达0.2dB/cm，与目前高质量平面波导相当，这种光操控能力为微纳光纤用于低温光学导波与传感提供了新的技术可能。由于理想冰单晶在可见光波段具有极低的吸收和散射特性，进一步优化制备和测试条件，将有可能在冰微纳光纤实现超低损耗光传输。
童利民认为，对于冰这样一种自然界中最普遍但又十分神奇的物质，相信该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。
本报记者 林洁 通讯员 柯溢能
