Физики впервые вырастили упругую ледяную микронить

Китайские физики вырастили одномерные упругие кристаллы гексагонального льда толщиной от 800 нанометров до 10 микрометров. Их оказалось возможно обратимо растягивать больше, чем на 10 процентов, а механическое напряжение внутри изогнутого кристалла вызывало фазовый переход и превращало гексагональный лед в тригональный, пишут ученые в Science.

Водяной лед отличается широким разнообразием возможных кристаллических форм: в зависимости от температуры и давления он может превращаться в один из 17 типов кристаллов. Кроме кристаллических, также известны термодинамически неустойчивые и аморфные модификации льда, а также совсем необычные формы, например суперионный лед — особое состояние, в котором ионы кислорода образуют жесткую кристаллическую решетку, по которой свободно перемещаются ионы водорода.

Самая распространенная изо всех форм льда — гексагональный лед-I_h. Эта модификация устойчива при температурах до −200 градусов Цельсия и давлениях до 2 тысяч атмосфер. Одно из неотъемлемых свойств этой формы льда — его хрупкость. Даже сравнительно небольшое внешнее механическое воздействие приводит к тому, что кристалл льда раскалывается на части. Теоретические оценки предсказывают, что упругая деформация кристаллов гексагонального льда может превышать 10 процентов, но в реальности из-за дефектов кристаллической структуры она обычно не больше 0,1 процента.

Чтобы избавиться от дефектов, можно понизить размерность кристалла, например выращивать лед не в виде объемных кусков, а в форме плоских слоев или тонких нитей. Низкоразмерные кристаллы льда интересуют ученых в первую очередь из-за их необычной формы и в качестве объекта для изучения кинетики кристаллизации, однако их механические свойства привлекают значительно меньше внимания.

Китайские физики под руководством Лиминь Туна (Limin Tong) из Чжэцзянского университета вырастили одномерные кристаллы гексагонального льда-I_h микрометровой толщины на кончике вольфрамовой иглы с помощью электростатического поля с напряжением 2 киловольта. Такой метод использовали и раньше, но обычно кристаллизацию проводили при небольших отрицательных температурах — в районе −5 градусов Цельсия. На этот раз, чтобы подавить латеральный рост нити, физики решили кристаллизовать лед при температуре около −50 градусов Цельсия.

Они получили бездефектные нитевидные кристаллы длиной 400 микрометров, толщиной от нескольких сотен нанометров до 10 микрометров и поверхностной шероховатостью в пределах нанометра. Гексагональная ось кристаллов при этом совпадала с осью самой нити.

Получив бездефектные кристаллы нужной геометрии, физики охладили их до −170 градусов Цельсия и проверили, как такая нить реагирует на механическую нагрузку: раскалывается она, как кристаллы льда с обычным количеством дефектов, или приближается к теоретическому пределу упругой деформации (он по разным оценкам находится в диапазоне от 14 до 16 процентов).

Оказалось, что при −150 градусах Цельсия ледяная нить гексагонального льда-I_h диаметром 4,4 микрометра может упруго деформироваться до 10,9 процента. Также выяснилось, что сильный изгиб нитей может вызвать в них фазовый переход. При −70 градусах Цельсия гексагональный лед-I_h на внутренней стороне нити (напряжение там достигает четырех тысяч атмосфер) превращался в тригональный лед-II. Подобное происходит и в объемных кристаллах льда, только, например, при тех же −70 градусах Цельсия для этого нужно давление в две тысячи атмосфер. При этом его плотность увеличивается примерно на четверть — с 0,925 до 1,150 граммов на миллилитр.

По словам ученых, открытие упругих ледяных микроволокон может сильно изменить технологии исследования льда, в частности методы управления ростом кристаллов и фазовыми переходами.

Далеко не все двумерные твердые материалы могут упруго гнуться, подобно открытым микрокристаллам. Например, обычные сухие спагетти ломаются уже при довольно небольшой деформации, причем всегда в двух точках. В 2018 году физики нашли способ решения этой проблемы и предложили подход, позволяющий разломить спагетти ровно на две части. Оказалось, что для этого нужно предварительно скрутить спагетти вокруг своей оси.

Александр Дубов