Физики впервые вырастили упругую ледяную микронить

Peizhen Xu et al. / Science, 2021

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-Ih. 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-Ih 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-Ih 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-Ih 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


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.