Учёные получили в лаборатории гибкий лёд
Лимин Тонг с коллегами из Чжэцзянского университета получили невероятно гибкий водяной лёд на основе длинных микроволокон, возможно, приблизившись, к теоретическому максимуму гибкости для этого материала. Работа с описанием эксперимента опубликована в журнале Science.
Всем нам знаком лёд, как твёрдая и хрупкая субстанция. Однако у одного длинного кристалла льда есть определённая гибкость. Тонг с коллегами получили длинные кристаллы, вводя водяной пар через небольшие отверстия в камеру при температуре -50°С. Электрическое поле притягивало молекулы воды к вольфрамовой иголке, на которой они кристаллизировались, создавая волокна диаметром в несколько мкм.
Их было сложно заметить невооружённым глазом, но под микроскопом было видно, что это были кристаллы — их молекулярная структура, похожая на соты, регулярно повторялась на всём протяжении нити.
Затем исследователи охладили лёд ещё сильнее, и в диапазоне от -70°C до -150°C измеряли нагрузку, которую способны выдержать эти волокна на изгиб. Они обнаружили, что полученные таким образом волокна демонстрируют высокую эластичность. Часть из них можно было даже свернуть в кольца, после чего они распрямлялись обратно.
По словам не связанного с исследованиями специалиста по льду Эрланда Шульсона из Дартмутского колледжа, такая гибкость связана с тем, что в волокнах отсутствуют обычные для естественного льда несовершенства — границы между гранулами и трещины.
По словам Тонга, до этого максимальная упругая деформация, которой удавалось достичь у льда, составляла 0,3%, а их команде при помощи микроволокон льда удалось достичь упругой деформации в 10,9%. При этом теоретический максимум этого показателя у водного льда находится где-то между 14 и 16,2%.
На исследование учёных натолкнули предшествовавшие эксперименты с кремниевым стеклом. Стекло — материал не упругий, твёрдый и хрупкий, почти как лёд, но при этом известно, что длинные и тонкие стеклянные нити демонстрируют упругие свойства. Исследователям стало интересно, не откроет ли подобные свойства водяной лёд.
Подробно изучив состав волокон, учёные обнаружили в них признаки наличия второй формы льда, более плотной по сравнению с тем, что составляла большую часть объёма. Нагрузка на изгиб запускала изменения внутри льда, и подобные эксперименты, возможно, позволят учёным понять, как эти изменения проходят.
Практическое применение таким волокнам пока представить сложно. Они прозрачные, очень хорошо проводят свет, и учёные считают, что в будущем с их помощью можно будет детально измерять загрязнение воздуха, поскольку частицы, попадающие в лёд, изменяют его свойства как проводника света.
