浙江大学《Science》：首次实现冰的弹性弯曲，用冰来制备光纤

材料科学与工程

2021年7月9日，现代光学仪器国家重点实验室童利民教授团队的研究成果《Elastic ice microfibers》以研究长文（Research Article）发表。论文的共同第一作者为浙大光电学院博士生许培臻和崔博文，共同通讯作者为童利民教授和郭欣副教授。

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/373/6551/187

用冰来制备光纤

冰是地球及很多地外天体（地外行星、卫星、彗星等）表面最普遍、最丰富和最重要的物质之一，在物理化学、生命科学、大气环境、地球物理学、天文学等很多领域中发挥不可替代的作用。从古至今，人类对冰的好奇心从未停息，特别是在过去的几个世纪里，基于近代科学技术发展起来的光学、电学和力学等实验手段，人们对冰进行了广泛深入的研究，从冰的高压相、二维结构等新形态，到电子束光刻等应用探索，对冰的认识和应用能力得到了很大的提升。

然而，作为最常见的物质之一，我们对冰的认识仍然存在很大的未知空间。比如，我们通常认为，冰是一种脆性的易碎物质，所以容易产生雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然现象。已有的实验数据也支持上述认识，目前实验测到的冰的最大弹性应变为0.3%左右，大于这个值就会碎裂。虽然理论计算曾预测，理想情况下，冰的弹性应变极限有可能大于10%，但是真实冰晶中由于存在结构缺陷，能够达到的应变值远低于理论极限。

另一方面，光纤作为一种将光约束和自由传输的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。将标准光纤直径减小到波长甚至亚波长量级，成为微纳光纤，提升或引入光场在空间约束、近场相互作用、表面增强、波导色散及光动量效应等方面的调控能力，在近场耦合、光学传感和量子光学等方面具有独特优势，是目前光纤领域的前沿研究方向之一。微纳光纤的光场调控能力，很大程度上取决于光纤材料的结构形态及其光场响应特性。常规的玻璃光纤，主要成分为氧化硅（石英沙），是地壳中含量最丰富的材料之一，在光传输中具有宽带低损耗等优异特性，被“光纤之父”高锟先生称为“古沙传捷音”。

实际上，在地球及很多地外星球表面，比古沙更普遍的物质是冰或液态水，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。

首次实现冰的弹性弯曲

“这是一个令人好奇的、有趣的问题，大约八年前，我和郭欣就讨论过这个想法，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，在讨论二年级博士生许培臻的研究方向时，再次提到了这个想法；当时正在准备本科毕设的崔博文，也加入了这个项目。他们专注的研究态度和出色的实验动手能力，为实现这个想法提供了可能性。另外，当时学校刚成立了冷冻电镜中心，为低温下的结构表征提供了研究条件。

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。

图1 研究团队生长的直径均匀的冰单晶微纳光纤

“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。

图2 冰单晶微纳光纤弹性弯曲光学显微镜照片

视频1 光学显微镜拍摄的冰单晶微纳光纤弹性弯曲过程

未来应用潜力广泛

冰的分子结构随压强改变而发生相变，一直是研究者们感兴趣的问题。但是，由于产生相变所需的压强通常在数千个大气压以上，需要使用特殊设计的金刚石压砧等设备来获得，实现条件不易。

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。为此，研究团队研制了一套结合低温微纳操控的原位显微拉曼光谱测量系统，通过弹性弯曲冰微纳光纤并原位实时测量最大应变区域的拉曼光谱，发现应变超过3%时，就可以出现冰从Ih相（常压相）转变为II相（高压相之一）的特征拉曼峰。同时，通过弹性弯曲还可以为冰施加超过一万个大气压的负压，这是目前其他实验方法难以做到的。因此，上述弹性弯曲技术为冰的相变动力学研究提供了一种新的实验方法。

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。

图3 冰微纳光纤导光示意图（左图）及光学显微镜下的宽带光传输实验照片（右图）

论文评审专家认为这项研究是“对冰物理认识的重大进步”，“所展现的力学和光学特性无疑是有趣的、独特的，具有潜在的实际应用价值”。

童利民认为，对于冰这样一种自然界中最普遍、但又最神奇的物质，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。

图4 童利民教授研究团队

该工作得到了国家重点研发计划项目（2018YFB2200404）、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（11527901）、浙江省杰出青年科学基金（LR21F050002）及中央高校基本科研业务费项目等支持。

通讯作者介绍

童利民，浙江大学光电科学与工程学院教授，主要研究方向为微纳光子学理论基础、功能结构及器件应用。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才，美国光学学会会士（OSA Fellow）。

1987年进入浙江大学学习，先后获学士（物理学，1991年）、硕士（光学，1994年）及博士（半导体材料，1997年）学位。1997年留校工作，2001-2004年先后受包氏奖学金及哈佛大学CIMS中心资助在哈佛大学Mazur研究组开展访问研究，首次实现亚波长直径纳米光纤的低损耗传输。2004年回浙江大学建立微纳光子学研究团队，在微纳光纤传感器、纳米激光器、全光超快调制器及片上集成光子器件等方面取得重要进展，3项研究成果入选 “中国光学十大进展”，10余项研究成果被Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Laser Focus World等专题报道。出版学术专著（编著）2本，在Nature等发表学术论文200余篇，他引8000余次。入选Elsevier发布的《中国高被引学者榜单》（2015年-至今）及《全球电力电子工程领域高被引用学者名单》（2016年）。

曾获得国防科学技术奖、中国青年科技奖、霍英东基金会高校青年教师奖、中国光学学会“王大珩”光学奖、浙江省自然科学奖等奖励；担任国家自然科学基金委重大研究计划专家、美国光学学会R. W. Wood奖评奖委员会主席、光学领域权威期刊Optica及Optics Express副编辑，Optics Communications、Chinese Optics Letters、Chinese Physics B、Photonic Sensors、Sensors等期刊编委。

郭欣，博士，副教授，博士生导师，求是青年学者，浙江省杰出青年科学基金获得者。2005年7月毕业于四川大学光信息科学与技术专业，获理学学士；2010年6月毕业于浙江大学光学工程专业，获工学博士。2010年7月至2012年5月，在北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室工作。2012年6月至2015年12月，为浙江大学光电信息工程学系特聘副研究员，其中2014年9月至2015年9月在香港理工大学电机工程学系进行访问研究。2016年1月至今，为浙江大学光电科学与工程学院副教授。主要从事微纳光纤等低维纳米结构及微纳光子器件应用、表面等离激元光子学的相关研究，在Light、Nano Lett.、Laser & Photon. Rev.、Acc. Chem. Res.、Appl. Phys. Lett.、Opt. Express等期刊发表论文40余篇。曾获浙江省自然科学奖一等奖、全国优秀博士学位论文提名、饶毓泰基础光学奖等奖励。

本文来自“浙江大学新闻办”。

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