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。

童利民 浙江大學光電科學與工程學院教授

一段冰柱可否呈現(xiàn)出堪比撐竿的彎曲程度?乍聽之下不可能。在人們的常識中，冰是一種脆性的易碎物質(zhì)，沒有彈性、無法彎折。然而在微觀尺度下，科學家打破了這一固有認識。

近日，浙江大學(以下簡稱浙大)光電科學與工程學院童利民教授團隊聯(lián)合浙大交叉力學中心和美國加州大學伯克利分校的科研人員，在-50℃環(huán)境中，制備出了高質(zhì)量冰單晶微納光纖。其既能夠靈活彎曲，又可以低損耗傳輸光，在性能上與玻璃光纖相似。7月9日，相關研究成果發(fā)表于《科學》雜志。

類比玻璃特性，低溫下制備冰單晶

光纖作為一種將光約束和自由傳輸?shù)墓δ芙Y(jié)構，是目前光場操控最有效的工具之一。

常規(guī)玻璃光纖的主要成分氧化硅(石英砂)，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。實際上，在地球及很多地外星球表面，比沙更普遍的物質(zhì)是冰或液態(tài)水，童利民團隊嘗試用冰來制備光纖，歷時4年得以實現(xiàn)。

“基于近代光學、電學和力學等領域的快速發(fā)展，科學家得以對冰的高壓相、二維結(jié)構等新形態(tài)以及電子束光刻等應用開展探索，從而提升對冰的認識和應用能力。”童利民告訴科技日報記者，已有科學實驗測到的冰的最大彈性應變?yōu)?.3%左右，大于這個值就會碎裂。

論文第一作者、浙大光電學院博士生許培臻補充道，通俗地解釋的話，即一瓶水結(jié)冰后，讓瓶子形變程度達到0.3%，這塊冰就會碎。這也可解釋雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然現(xiàn)象的產(chǎn)生。

“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)構形態(tài)及其光場響應特性。在這項研究中，冰單晶制備是關鍵的第一步，要使冰晶的分子排列整齊。”童利民介紹，類似整面玻璃易碎、但細長的玻璃光纖具有彈性的現(xiàn)象，減小結(jié)構尺寸、提高結(jié)構均勻度，可以顯著提高材料力學性能。

本次研究中，團隊自行搭建了生長裝置，在大量實驗基礎上，改進了已有的電場誘導冰晶制備方法，即在低溫高壓電場中，加之一定的濕度條件，通過靜電促使水分子朝電場方向運動，改變其無序的運動狀態(tài)，從而誘發(fā)單晶生長。

“最終在-50℃的環(huán)境，團隊成功制備出直徑在800納米到10微米的冰單晶微納光纖。”童利民表示，團隊在冷凍電鏡下驗證了這些冰單晶微納光纖具有很好的直徑均勻性和表面光滑度。

挑戰(zhàn)彈性極限，冰光纖具有潛在優(yōu)勢

“單是結(jié)構均勻、表面光滑還不夠，若要盡可能適應場景需求，需要對冰微納光纖的彈性應變性能進行充分探索。”童利民介紹，雖然學界曾有理論計算預測過，理想情況下，冰的彈性應變極限有可能大于10%，但是真實冰晶中由于存在結(jié)構缺陷，能夠達到的應變值遠低于理論極限。

為探索其力學性能，團隊利用新發(fā)明的低溫微納操控和轉(zhuǎn)移技術，在多個環(huán)境下做了測試。最終在-150℃的環(huán)境中，團隊制備的冰微納光纖獲得了10.9%的彈性應變，接近冰的理論彈性極限。

據(jù)介紹，將標準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、波導色散及光動量效應等方面的調(diào)控能力，在近場耦合、光學傳感和量子光學等方面具有獨特優(yōu)勢，是目前光纖領域的前沿研究方向之一。

“由于材料對光場的響應特性取決于其組成元素、分子結(jié)構及其排列方式。研究團隊預測，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。”童利民說。

為了測試其光學特性，團隊利用其此前發(fā)明的近場耦合輸入技術，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)量平面波導相當，這種光操控能力為微納光纖用于低溫光學導波與傳感提供了新的技術可能。

“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。”童利民認為，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。

關鍵詞： 高效導光 冰光纖 冰單晶 易碎物質(zhì)