(Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo, Limin Tong/Zhejiang-Universität) Wassereis ist nicht gerade für seine Flexibilität bekannt. Tatsächlich ist es genau das Gegenteil: starr und spröde, leicht brechend und brechend. Aus diesem Grund kommt es zu Lawinen und zur Zersplitterung des Meereises.
Das ist auch der Grund, warum neue Forschungsergebnisse so faszinierend sind. Wissenschaftler haben gerade Mikrofasern aus Wassereis gezüchtet, die sich in einer Schleife biegen können – wodurch die bisherige maximale Belastung um einen erheblichen Prozentsatz gebrochen wird und neue Möglichkeiten für die Erforschung der Eisphysik eröffnet werden.
Eis ist nicht immer so Verhalten Sie sich so, wie wir es erwarten , und seine Elastizität – oder besser gesagt, der Mangel daran – ist ein perfektes Beispiel. Theoretisch sollte die maximale elastische Dehnung etwa 15 Prozent betragen. In der realen Welt betrug die jemals gemessene maximale elastische Dehnung weniger als 0,3 Prozent. Der Grund für diese Diskrepanz liegt darin, dass Eiskristalle strukturelle Mängel aufweisen, die ihre Sprödigkeit erhöhen.
Deshalb versuchte ein Forscherteam unter der Leitung des Nanowissenschaftlers Peizhen Xu von der Zhejiang-Universität in China, Eis mit möglichst wenigen strukturellen Mängeln zu erzeugen.
Das Experiment bestand aus einer Wolframnadel in einer ultrakalten Kammer bei etwa minus 50 Grad Celsius, viel kälter als zuvor versucht. Wasserdampf wurde in die Kammer freigesetzt und ein elektrisches Feld angelegt. Dies zog Wassermoleküle an die Spitze der Nadel, wo sie kristallisierten und eine Mikrofaser mit einer maximalen Breite von etwa 10 Mikrometern bildeten, kleiner als die Breite eines menschlichen Haares.
Der nächste Schritt bestand darin, die Temperatur auf minus 70 bis minus 150 Grad Celsius zu senken. Bei diesen niedrigen Temperaturen versuchten die Forscher, die Eisfasern zu biegen.
Sie fanden heraus, dass sich eine Mikrofaser mit einem Durchmesser von 4,4 Mikrometern bei minus 150 Grad Celsius in eine nahezu kreisförmige Form mit einem Radius von 20 Mikrometern biegen konnte. Dies deutet auf eine maximale elastische Dehnung von 10,9 Prozent hin – viel näher an der theoretischen Grenze als bei früheren Versuchen.
Noch besser: Als die Forscher das Eis freigaben, sprang es wieder in seine vorherige Form zurück.
Obwohl Eis für uns gleich aussieht, kann seine kristalline Struktur sehr unterschiedlich sein. Jede Konfiguration von Molekülen in einem Eiskristall wird als Phase bezeichnet, und das gibt es auch eine ganze Reihe dieser Phasen . Übergänge zwischen Phasen können unter verschiedenen Bedingungen auftreten, die mit Druck und Temperatur zusammenhängen.
Mit ihrem biegsamen Eis stellte das Team einen solchen Phasenübergang fest, von einer Eisform namens Eis Ih , der sechseckigen Kristallform von gewöhnlichem Eis, wie sie in der Natur vorkommt, zur rhomboedrischen Form Eis II , das durch Komprimieren von Eis Ih entsteht. Dieser Übergang erfolgte bei starken Biegungen der Eismikrofaser bei Temperaturen unter minus 70 Grad Celsius und war ebenfalls reversibel.
Die Forscher stellten fest, dass dies eine neue Möglichkeit zur Untersuchung von Phasenübergängen im Eis bieten könnte.
Schließlich versuchte das Team, sein nahezu perfektes Eis als Lichtwellenleiter zu verwenden, indem es an einem Ende der Mikrofaser ein optisches Licht anbrachte. Mehrere Wellenlängen wurden genauso effektiv übertragen wie hochmoderne On-Chip-Wellenleiter wie Siliziumnitrid und Siliziumdioxid, was darauf hindeutet, dass Eismikrofasern als flexible Wellenleiter für optische Wellenlängen bei niedrigen Temperaturen verwendet werden könnten.
„Wir könnten uns den Einsatz von IMFs als Niedertemperatursensoren vorstellen, um beispielsweise die molekulare Adsorption auf Eis, Umweltveränderungen, strukturelle Variationen und Oberflächenverformungen von Eis zu untersuchen.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Kurz gesagt, die hier gezeigten elastischen Eismikrofasern könnten eine alternative Plattform für die Erforschung der Eisphysik bieten und bisher unerforschte Möglichkeiten für eisbezogene Technologien in verschiedenen Disziplinen eröffnen.“
Sehr verdammt cool.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Wissenschaft .