Китайські фізики виростили одномірні пружні кристали гексагонального льоду товщиною від 800 нанометрів до 10 мікрометрів. Їх виявилося можливо звернемо розтягувати більше, ніж на 10 відсотків, а механічна напруга всередині вигнутого кристала викликала фазовий перехід і перетворювала гексагональний лід на тригональний, пишуть вчені в.
Водяний лід відрізняється широким розмаїттям можливих кристалічних форм: залежно від температури і тиску він може перетворюватися на один із 17 типів кристалів. Крім кристалічних, також відомі термодинамічно нестійкі і аморфні модифікації льоду, а також зовсім незвичайні форми, наприклад суперійний лід - особливий стан, в якому іони кисню утворюють жорстку кристалічну решітку, по якій вільно переміщуються іони водню.
Найпоширеніша з усіх форм льоду - гексагональний лід-Ih. Ця модифікація стійка при температурах до _ 200 градусів Цельсія і тисках до 2 тисяч атмосфер. Одна з невід'ємних властивостей цієї форми льоду - його крихкість. Навіть порівняно невеликий зовнішній механічний вплив призводить до того, що кристал льоду розколюється на частини. Теоретичні оцінки передбачають, що упруга деформація кристалів гексагонального льоду може перевищувати 10 відсотків, але в реальності через дефекти кристалічної структури вона зазвичай не більше 0,1 відсотка.
Щоб позбутися дефектів, можна знизити розмірність кристала, наприклад вирощувати лід не у вигляді об'ємних шматків, а у формі плоских шарів або тонких ниток. Низькорозмірні кристали льоду цікавлять вчених в першу чергу через їх незвичайну форму і в якості об'єкта для вивчення кінетики кристалізації, проте їх механічні властивості привертають значно менше уваги.
Китайські фізики під керівництвом Лімінь Туна (Limin Tong) з Чжецзянського університету виростили одномірні кристали гексагонального льоду-Ih мікрометрової товщини на кінчику вольфрамової голки за допомогою електростатичного поля з напругою 2 кіловольти. Такий метод використовували і раніше, але зазвичай кристалізацію проводили при невеликих негативних температурах - в районі − 5 градусів Цельсія. Цього разу, щоб придушити латеральний ріст нитки, фізики вирішили кристалізувати лід при температурі близько _ 50 градусів Цельсія.
Вони отримали бездефектні нитевидні кристали довжиною 400 мікрометрів, товщиною від декількох сотень нанометрів до 10 мікрометрів і поверхневою шорсткістю в межах нанометра. Гексагональна вісь кристалів при цьому збігалася з віссю самої нитки.
Отримавши бездефектні кристали потрібної геометрії, фізики охолодили їх до - 170 градусів Цельсія і перевірили, як така нитка реагує на механічне навантаження: розколюється вона, як кристали льоду зі звичайною кількістю дефектів, або наближається до теоретичної межі упругої деформації (він за різними оцінками знаходиться в діапазоні від 14 до 16 відсотків).
Виявилося, що при ‑ 150 градусах Цельсія крижана нитка гексагонального льоду-Ih діаметром 4,4 мікрометра може впруго деформуватися до 10,9 відсотка. Також з'ясувалося, що сильний вигин ниток може викликати в них фазовий перехід. При ‑ 70 градусах Цельсія гексагональний лід-Ih на внутрішній стороні нитки (напруга там досягає чотирьох тисяч атмосфер) перетворювався на тригональний лід-II. Подібне відбувається і в об'ємних кристалах льоду, тільки, наприклад, при тих же ‑ 70 градусах Цельсія для цього потрібен тиск у дві тисячі атмосфер. При цьому його щільність збільшується приблизно на чверть - з 0,925 до 1,150 грамів на мілілітр.
За словами вчених, відкриття пружних крижаних мікроволокон може сильно змінити технології дослідження льоду, зокрема методи управління зростанням кристалів і фазовими переходами.
Далеко не всі почесні тверді матеріали можуть упруго гнутися, подібно відкритим мікрокристалам. Наприклад, звичайні сухі спагеті ламаються вже при досить невеликій деформації, причому завжди в двох точках. У 2018 році фізики знайшли спосіб вирішення цієї проблеми і запропонували підхід, що дозволяє розломити спагеті рівно на дві частини. Виявилося, що для цього потрібно попередньо скрутити спагеті навколо своєї осі.