Фізика
Фізика

Фізики виростили еластичну крижану нитку та зігнули її

Із зазвичай крихкої та ламкої криги вдалося виростити гнучкий, схожий на нитку, кристал, який вдалося зігнути на десять відсотків. У різко зігнутій нитці діаметром від десяти мікрометрів аж до 800 нанометрів, фізики побачили перехід кристала льоду з гексагональної форми у тригональну. Від своєї розробки вчені очікують межі деформації від 14 до 16 відсотків, повідомляється у Science.

Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo and Limin Tong, Zhejiang University

Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo and Limin Tong, Zhejiang University

Навіщо гнути лід?

Окрім того, що лід є одним із найпоширеніших матеріалів на Землі (та навіть поза нею), його унікальні фізичні властивості захоплюють вчених майже всіх галузей: від метеорологів, що вивчають кригоутворення як погодний чинник, до хіміків, для яких лід є найкращою експериментальною платформою. Найпростішу молекулу — H2O — найзручніше вивчати у формі кристалів, оскільки вона розташована на правильній решітці. Хоча звичайний шестикутний (гексагональний) лід є всього однією з щонайменше 19 кристалічних і трьох аморфних його форм, які можна отримати за різних умов тиску та температури.

Одна з добре відомих всім характеристик льоду, окрім того, що він вміє танути, є його крихкість. Іноді досить невеликого зусилля, щоб крижинка розлетілася на кілька шматочків — максимальне значення пружної деформації, на яке вона здатна, складає менше десяти відсотків. Це зумовлено структурною недосконалістю реальних кристалів — недоліки геометрії ведуть до дефектів, які ведуть до вразливості в лабораторних умовах та навколишнього середовища. Втім, крига у низькорозмірних формах, як-то нанорозмірні кристали, нанодроти і мікроволокна, можуть демонструвати набагато кращі механічні властивості, ніж їхні об'ємні аналоги, завдяки нижчій щільності дефектів і більш рівномірному розподілу напруження. Тому пошуки «ідеального» кристала, здатного хоч трохи краще переживати руйнування, дадуть змогу покращити і знання про цей матеріал, і використовувати це у всіх тих сферах, яких торкається лід.

Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo and Limin Tong, Zhejiang University

Peizhen Xu, Bowen Cui, Xin Guo and Limin Tong, Zhejiang University

Що заморозили вчені?

Оскільки дослідники очікують більшого від нанорозмірних сніжинок, а не від насипного льоду, у лабораторіях вирощують багато крижинок малих розмірів. Однак, основна увага приділялася зростанню і морфології, а не дослідженням механічних властивостей. Тому у своїй роботі вчені вирішили виростити кілька тонких крижаних ниток на кінчику вольфрамової голки. Вони дещо модифікували використовувані раніше методи і обрали набагато нижчу температуру для росту льодяних волокон: замість звичних мінус п'яти градусів, воду охолоджували за мінус 50. Це знизило швидкість бічної кристалізації та дало змогу перетворитися на волокно з меншим діаметром і більш однорідною структурою.

Також, аби посилити дифузію молекул водяного газу до кінчика голки і прискорити зростання довжини волокна, до голки приклали напругу у два кіловольти. Так за дві секунди у них виросла нитка довжиною 400 міліметрів. Вона мала звичний гексагональний поперечний переріз та звужувалася до кінчика. Втім, з'ясувалося, що крижане волокно здатне змінювати свою кристалічну структуру та при цьому набувати зовсім не властивих льоду властивостей — переживати згинання.

Як лід зігнувся?

За набагато більшої температури зростання та з посиленням електричного поля, нитки діаметром до сотень нанометрів зігнулися із відсотком деформації 10,9. Це набагато більше за минулі експерименти, та набагато ближче до теоретичної межі пружності льоду — від 14 до 16,2 відсотка. Десять відсотків було максимально отриманим під час дослідження значенням — для нього знадобилася температура у мінус 150 градусів Цельсію. За температури у мінус 70 вчені досягли деформації у 4,6 відсотка. Однак, окрім того, що на відміну від об'ємного льоду, тонкі крижані нитки могли пружно згинатися і легко відновлювати свою початкову форму, вчені помітили ще й фазовий перехід у структурі. Так у точці, близькій до критичної межі деформації, лід всередині зазнав переходу від гексагонального кристалу до тригонального.

За словами вчених, відкриття цих гнучких крижаних волокон відкриває можливості для пов'язаних з льодом технологій в мікро- і нанометрових масштабах, а також може створити альтернативну платформу для вивчення фізики льоду.

Поки фізики спостерігали за льодом у лабораторії, астрономам крига на Плутоні вказала на унікальний атмосферний процес — конденсацію потоків метану, а крига супутника Юпітера Європи взагалі може світитися вночі. Останню, до речі, інженери пропонують використовувати як будівельний матеріал, і навіть робота для цього придумали.