2021-7-12 10:20 |
Команда ученых из Китая и США придумала, как сделать кристаллы льда гибкими. Прозрачные волокна можно использовать как оптоволокно.
Обычный лед хрупок. Естественным образом он получается в природе при замерзании воды (эта его разновидность именуется лед Ih).
Молекулы воды при температуре ниже 0 °С выстраиваются в шестиугольные призмы. Это элементарные ячейки кристаллов льда. В основании призм лежат правильные шестиугольники, призмы имеют общие стороны и грани. И выходит, что каждая молекула воды окружена четырьмя своими "сестрами", расположенными от нее на одинаковом расстоянии в вершинах шестиугольной призмы – узлах кристаллической решетки льда.
К слову, похожая кристаллическая решетка у графита.
По разным причинам, в том числе из-за примесей в воде, кристаллическая решетка естественного льда может иметь дефекты. Это как сделать шестиугольную табуретку с одной ножкой короче остальных пяти. Если сесть на такую табуретку, упадёшь. Так и со льдом: дефекты кристаллической решетки делают его хрупким, не устойчивым, ломким.
Кристаллическая решетка природного льда.
Иллюстрация Wikimedia Commons.
Но учёные знают, что существуют и другие разновидности льда. Различия в строении их кристаллической решётки приводят к образованию кристаллов разной формы. Обычно лёд других разновидностей получают по специальным технологиям или в специальных лабораторных условиях.
Например, лед со сферическими кристаллами – жидкий лед – открыли в конце 1980-х годов и с тех пор используют в кондиционерах, холодильниках супемаркетов и в рыбной промышленности. Он текуч, как вода, и его кристаллы не забивают трубы.
Исследователи из Чжэцзянского университета вместе с коллегами из Университета Шаньси и Калифорнийского университета изобрели способ выращивания твердого водяного льда без дефектов кристаллической решетки. Он получается гибким и эластичным.
Свой способ производства гибкого льда ученые описали в статье, которую опубликовал журнал Science.
Устройство для получения гибкого льда состояло из вольфрамовой иглы, которую поместили в камеру, охлажденную до минус 50 °С. В камеру выпускался водяной пар, послечего включалось электрическое поле. Электрические поля заставляли молекулы воды притягиваться к кончику иглы. Там они выстраивались в монокристалл и образовывали микроволокно толщиной около 10 микрометров – тоньше человеческого волоса.
Выращенные на кончике иглы кристаллы льда были не шестиугольными, а четырехугольными призмами с основаниями в виде ромбов (лед II).
Затем температуру в камере снижали и последовательно доводили ее до минус 150 °С. Получившиеся волокна льда пытались сгибать при столь низких температурах.
Выяснилось, что при минус 150°С микроволокно диаметром 4,4 микрометра может изогнуться почти в круг радиусом 20 микрометров. Когда волокно изгибать перестали, оно вернуло себе прежнюю прямую форму.
Полученные ледяные волокна оказались состоящими из двух разных видов льда с разной плотностью.
Ученые утверждают, что волокно льда продемонстрировало максимальную упругую деформацию в 10,9%. Теоретический предел упругой деформации льда составляет 15%. Упругая деформация природного льда значительно ниже – 0,3%.
Исследователи также отмечают в своей статье чистоту и безупречность выращенных ими кристаллов льда. Они настолько прозрачны, что могут служить световодами.
"Мы можем представить себе использование монокристаллических микроволокон льда в качестве низкотемпературных датчиков для изучения, например, молекулярной адсорбции на льду, изменений окружающей среды, структурных изменений и деформации поверхности льда, – отмечают исследователи в своей статье. – Эластичные микроволокна льда могут предложить альтернативную платформу для изучения физики льда и открыть ранее неизведанные возможности для технологий, связанных со льдом, в различных дисциплинах", – резюмируют они.
Ранее мы сообщали, что ученые изобрели гибкий кристалл для зарядки гаджетов во время ходьбы, рассказывали, как новая технология превращает любую бумажку в гаджет и как обычное стекло превратить в экран дополненной реальности.
А ещё мы писали о работе, в которой физики сообщали об обнаружении двух модификаций воды.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
Подробнее читайте на vesti.ru ...
