Физики вырастили эластичную ледяную нить и согнули ее

В резко согнутой нити диаметром от десяти микрометров до 800 нанометров, физики увидели переход кристалла льда с гексагональной формы в тригональную. От своей разработки ученые ожидают пределы деформации от 14 до 16 процентов, сообщается в Science. Кроме того, что лед является одним из самых распространенных материалов на Земле (и даже вне ее), его уникальные физические свойства захватывают ученых многих отраслей: от метеорологов, изучающих ледообразование как погодный фактор, к химикам, для которых лед является лучшей экспериментальной платформой. Простейшую молекулу — H2O — удобнее изучать в форме кристаллов, поскольку она расположена на правильной решетке. Хотя обычный шестиугольный (гексагональный) лед является всего одним из 19 кристаллических и трех аморфных его форм, которые можно получить при различных условиях давления и температуры.

Одна из хорошо известных всем характеристик льда, кроме того, что он умеет таять, является его хрупкость. Иногда достаточно небольшого усилия, чтобы льдинка разлетелась на несколько кусочков — максимальное значение упругой деформации, на которое она способна, составляет менее десяти%. Впрочем, лед в низкоразмерных формах, как-то наноразмерные кристаллы, нанопровода и микро волокна, могут демонстрировать гораздо лучшие механические свойства, чем их большие аналоги, благодаря низкой плотности дефектов и более равномерному распределению напряжения.

Поскольку исследователи ожидают большего от наноразмерных снежинок, а не от насыпного льда, в лабораториях выращивают много льдинок малых размеров. Однако, основное внимание уделяется росту и морфологии, а не исследованием механических свойств. Поэтому в своей работе ученые решили вырастить несколько тонких ледяных нитей на кончике вольфрамовой иглы. Они несколько модифицировали используемые ранее методы и выбрали гораздо более низкую температуру для роста ледяных волокон: вместо привычных минус пяти градусов, воду охлаждали минус 50. Это снизило скорость боковой кристаллизации и позволило превратиться в волокно с меньшим диаметром и более однородной структурой.

Также, чтобы усилить диффузию молекул водяного газа до кончика иглы и ускорить рост длины волокна, к игле приложили напряжение в два киловольта. Так за две секунды выросла нить длиной 400 миллиметров. Она имела привычный гексагональный поперечное сечение и сужалась к кончику. Впрочем, выяснилось, что ледяное волокно способно изменять свою кристаллическую структуру и при этом приобретать совсем не свойственные льду свойств — сгибания.

При температуре роста и с усилением электрического поля, нити диаметром до сотен нанометров согнулись с процентом деформации 10,9. Это гораздо больше прошедших экспериментов, и гораздо ближе к теоретическому пределу упругости льда — от 14 до 16,2%. При температуре в минус 70 ученые достигли деформации в 4,6 процента. Однако, кроме того, что в отличие от объемного льда, тонкие ледяные нити могли упруго изгибаться и легко восстанавливать свою первоначальную форму, ученые заметили еще и фазовый переход в структуре. Так в точке, близкой к критической черте деформации, лед внутри перешел от гексагонального кристалла к тригональномую

По словам ученых, открытие гибких ледяных волокон дает возможности для связанных со льдом технологий в микро- и нанометровых масштабах, а также может создать альтернативную платформу для изучения физики льда.

Пока физики наблюдали за льдом в лаборатории, астрономам лед на Плутоне указал на уникальный атмосферный процесс — конденсации потоков метана, а лед спутника Юпитера Европы вообще может светиться ночью.

Перевод материала nauka.ua