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用冰做光纖?浙大團隊對冰的研究邁出一大步,成果登《科學》

發布時間:2021-07-09來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 盧紹慶0

炎炎夏日,當你在享受一杯冰鎮飲料的清爽冰涼時,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,沒有彈性、無法彎折。

近日,浙江大學光電學院童利民教授團隊把“不可能變成可能”,他們聯合來自交叉力學中心和加州大學伯克利分校的合作者,發現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79日,相關研究結果在《科學》雜志以研究長文(Research Article)發表。論文的共同第一作者為浙大光電學院博士生許培臻和崔博文,共同通訊作者為浙大光電學院郭欣副教授和童利民教授,合作者包括浙大交叉力學中心卜葉強博士、王宏濤教授,浙大光電學院王攀研究員和加州大學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、衛星、彗星等)表面最普遍、最豐富和最重要的物質之一,在物理化學、生命科學、大氣環境、地球物理學、天文學等很多領域中發揮不可替代的作用。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里,基于近代科學技術發展起來的光學、電學和力學等實驗手段,人們對冰進行了廣泛深入的研究,從冰的高壓相、二維結構等新形態,到電子束光刻等應用探索,對冰的認識和應用能力得到了很大的提升。

然而,作為最常見的物質之一,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,所以容易產生雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然現象。已有的實驗數據也支持上述認識,目前實驗測到的冰的最大彈性應變為0.3%左右,大于這個值就會碎裂。雖然理論計算曾預測,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構缺陷,能夠達到的應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的功能結構,是目前光場操控最有效的工具之一。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勢,是目前光纖領域的前沿研究方向之一。微納光纖的光場調控能力,很大程度上取決于光纖材料的結構形態及其光場響應特性。常規的玻璃光纖,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是冰或液態水,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;當時正在準備本科畢設的崔博文,也加入了這個項目。他們專注的研究態度和出色的實驗動手能力,為實現這個想法提供了可能性。另外,當時學校剛成立了冷凍電鏡中心,為低溫下的結構表征提供了研究條件。

在這項研究中,結構制備是關鍵的第一步。研究團隊自行搭建了生長裝置,在大量實驗基礎上,改進了已有的電場誘導冰晶制備方法,成功生長了直徑從800納米到10微米的高質量冰單晶微納光纖。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。

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性能,研究團隊發明了一套低溫微納操控和轉移技術,實現了液氮環境下微納結構的靈活、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%的應變實驗值),實現了冰微納光纖的靈活彎曲。

2 冰單晶微納光纖彈性彎曲光學顯微鏡照片

視頻1 光學顯微鏡拍攝的冰單晶微納光纖彈性彎曲過程


未來應用潛力廣泛

冰的分子結構隨壓強改變而發生相變,一直是研究者們感興趣的問題。但是,由于產生相變所需的壓強通常在數千個大氣壓以上,需要使用特殊設計的金剛石壓砧等設備來獲得,實現條件不易。

研究團隊發現,通過大應變彎曲冰微納光纖,有可能為相變所需的高壓提供一種簡單的解決方案?!袄庾V是檢測相變最靈敏的方法之一,我們現代光學儀器國家重點實驗室在光譜測量技術方面有很好的基礎?!惫勒f。為此,研究團隊研制了一套結合低溫微納操控的原位顯微拉曼光譜測量系統,通過彈性彎曲冰微納光纖并原位實時測量最大應變區域的拉曼光譜,發現應變超過3%時,就可以出現冰從Ih相(常壓相)轉變為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,上述彈性彎曲技術為冰的相變動力學研究提供了一種新的實驗方法。

更進一步,材料對光場的響應特性取決于其組成元素、分子結構及其排列方式。研究團隊預測,由H2O分子規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勢。為了測試其光學特性,團隊利用其此前發明的近場耦合輸入技術,在可見光波段實現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,進一步優化制備和測試條件,將有可能在冰微納光纖實現超低損耗光傳輸。

3 冰微納光纖導光示意圖(左圖)及光學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”,所展現的力學和光學特性“無疑是有趣的、獨特的,具有潛在的實際應用價值”。

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,相信該項研究結果將拓展人們對冰的認知邊界,激發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,以及發展適用于特殊環境的微納尺度冰基技術。

該工作得到了國家重點研發計劃項目(2018YFB2200404)、國家自然科學基金重大科研儀器研制項目(11527901)、浙江省杰出青年科學基金(LR21F050002)及中央高?;究蒲袠I務費項目等支持。

(文 柯溢能 攝影 盧紹慶/科研圖片由團隊提供)




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