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研究成果概述

近日，浙江大學光電科學與工程學院童利民教授、郭欣教授研究團隊，通過直接拉伸過冷有機液滴的方法，在低溫下研制成功直徑小至200nm、長度達5cm的有機小分子冰微納光纖（OIMFs），并展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能（最大彈性應變可達3.3%）和光學性能（傳輸損耗低至0.025dB/cm），同時該類光纖還具有較高的光學非線性，為低溫微納光子學及有機小分子材料研究提供了新平臺。

相關研究結果以“Small-molecule organic ice microfibers”為題于2025年1月8日發(fā)表在《Science Advances》雜志。

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研究背景

有機小分子主要由碳、氫、氧組成，廣泛存在于星際塵埃、行星表面及其他極端環(huán)境中。相對于無機分子，它們展現(xiàn)出更出色的多功能性、可設計性和可調控性，在凝聚態(tài)物理、有機化學、材料科學、生物學、生命科學、天文學和宇宙探索等領域扮演著重要角色。不同于地球上常見的液態(tài)、氣態(tài)形式，在宇宙星云、地外天體等低溫環(huán)境中，有機小分子物質一般以固態(tài)形式存在，被稱為有機冰。在過去的幾十年里，人們對有機冰的研究主要集中在光譜特征、相變和光化學過程等領域，而對有機冰的本征特性、特別是極限力學與光學特性，研究很少。

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研究亮點

針對上述問題，結合新型微納光纖材料探索，研究團隊提出在玻璃化轉變溫度附近直接拉伸過冷有機小分子液滴的方法（圖1A,B），成功獲得了乙醇、甲醇等十余種直徑在200nm至10μm，長度最大達5cm的有機小分子冰微納光纖（OIMFs）。在光學顯微鏡（圖1C）和冷凍透射電子顯微鏡（圖1D,E）下，這些OIMFs展示了很好的直徑均勻性、很小的表面粗糙度（僅約0.5nm）及高度均勻的內部玻璃態(tài)結構（圖1E，插圖）。

圖1.有機小分子冰微納光纖的制備和微觀表征

由于具有高度結構均勻性，這些OIMFs具有優(yōu)異的力學性能（圖2）。團隊在拉伸實驗中（圖2A），觀察到在98K溫度下，7.5μm直徑的乙二醇OIMF能夠承受高達3.3%的彈性應變（圖2B），并具有很好的柔韌性。對于同一種OIMF，彈性應變范圍隨溫度升高而變?。▓D2C）。另外，對于乙二醇OIMFs進行的力學測量結果表明，楊氏模量隨溫度升高而單調下降（圖2D）。

圖2.有機小分子冰微納光纖的機械性能表征

同時，良好的直徑均勻性和表面光滑度使得OIMFs可以在低溫下用作低損耗光波導（圖3A）。通過OIMF拉伸過程中不同長度傳輸特性的測量（圖3B），可以獲得OIMFs的光學傳輸損耗，最低可至0.025dB/cm（圖3C），接近材料本征吸收極限。另外，基于自行搭建的雙Fabry-Pérot諧振腔測量系統(tǒng)，團隊首次獲得了這些非晶態(tài)有機小分子冰的折射率精確值（圖3D）。

圖3.有機小分子冰微納光纖的光學性能表征

此外，團隊還對OIMFs的結構化、功能化應用進行了探索（圖4）。比如，研制成功乙醇OIMF微環(huán)諧振腔（圖4A-C），觀察到顯著的光學諧振響應（圖4B,C）；基于四氯化碳-乙苯（50：50）OIMFs的高光學非線性特性，實現(xiàn)低閾值超連續(xù)光譜產生（圖4D），實驗結果與理論計算結果基本一致（圖4E）。

圖4.有機小分子冰微納光纖的多功能應用

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總結與展望

該研究首次將有機小分子冰制備成微納光纖這一低維結構，揭示了其在低溫下優(yōu)異的光學與力學特性，及其未來在低溫力學、微納光子學、新材料研究等方面的應用前景。

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論文/作者信息

論文第一作者為崔博文博士，共同通訊作者為郭欣教授和童利民教授。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、新基石研究員項目、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等資助。

論文信息及鏈接

Bowen Cui et al., Small-molecule organic ice microfibers, Sci. Adv. 11, eads2538 (2025).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads2538