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研究成果概述

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

相關(guān)研究結(jié)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(jī)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(duì)于無機(jī)分子，它們展現(xiàn)出更出色的多功能性、可設(shè)計(jì)性和可調(diào)控性，在凝聚態(tài)物理、有機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)、生命科學(xué)、天文學(xué)和宇宙探索等領(lǐng)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(jī)小分子物質(zhì)一般以固態(tài)形式存在，被稱為有機(jī)冰。在過去的幾十年里，人們對(duì)有機(jī)冰的研究主要集中在光譜特征、相變和光化學(xué)過程等領(lǐng)域，而對(duì)有機(jī)冰的本征特性、特別是極限力學(xué)與光學(xué)特性，研究很少。

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研究亮點(diǎn)

針對(duì)上述問題，結(jié)合新型微納光纖材料探索，研究團(tuán)隊(duì)提出在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近直接拉伸過冷有機(jī)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(dá)5cm的有機(jī)小分子冰微納光纖（OIMFs）。在光學(xué)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(nèi)部玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)（圖1E，插圖）。

圖1.有機(jī)小分子冰微納光纖的制備和微觀表征

由于具有高度結(jié)構(gòu)均勻性，這些OIMFs具有優(yōu)異的力學(xué)性能（圖2）。團(tuán)隊(duì)在拉伸實(shí)驗(yàn)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(dá)3.3%的彈性應(yīng)變（圖2B），并具有很好的柔韌性。對(duì)于同一種OIMF，彈性應(yīng)變范圍隨溫度升高而變?。▓D2C）。另外，對(duì)于乙二醇OIMFs進(jìn)行的力學(xué)測(cè)量結(jié)果表明，楊氏模量隨溫度升高而單調(diào)下降（圖2D）。

圖2.有機(jī)小分子冰微納光纖的機(jī)械性能表征

同時(shí)，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(dǎo)（圖3A）。通過OIMF拉伸過程中不同長度傳輸特性的測(cè)量（圖3B），可以獲得OIMFs的光學(xué)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(cè)量系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)首次獲得了這些非晶態(tài)有機(jī)小分子冰的折射率精確值（圖3D）。

圖3.有機(jī)小分子冰微納光纖的光學(xué)性能表征

此外，團(tuán)隊(duì)還對(duì)OIMFs的結(jié)構(gòu)化、功能化應(yīng)用進(jìn)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(xué)諧振響應(yīng)（圖4B,C）；基于四氯化碳-乙苯（50：50）OIMFs的高光學(xué)非線性特性，實(shí)現(xiàn)低閾值超連續(xù)光譜產(chǎn)生（圖4D），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致（圖4E）。

圖4.有機(jī)小分子冰微納光纖的多功能應(yīng)用

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總結(jié)與展望

該研究首次將有機(jī)小分子冰制備成微納光纖這一低維結(jié)構(gòu)，揭示了其在低溫下優(yōu)異的光學(xué)與力學(xué)特性，及其未來在低溫力學(xué)、微納光子學(xué)、新材料研究等方面的應(yīng)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、新基石研究員項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)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