冰，在大多数人印象中，坚硬且易碎，但在科学家的手中，冰变得如发丝般柔软，可以随意弯曲、绕圈，甚至被制成传输和操控光的“光纤”。

浙江大学光电科学与工程学院童利民教授团队，通过长期研究，将这一设想变为现实，他们成功利用冰制备出光纤。

2月9日，全省建设一流创新生态打造最具竞争力营商环境大会在杭州举行。童利民团队牵头完成的“微纳光纤功能结构及其应用基础研究”项目荣获自然科学奖一等奖，单晶微纳光纤是该项目的主要内容之一。

为何要用冰来造光纤？坚硬的冰如何被制成柔软的光纤？这项突破又将为未来打开怎样的想象？记者就此专访了童利民。

挑战“不可能”，让冰成为光纤

何为光纤？你可以把它想象成一个“透明水管”，只不过它传输的不是水，而是光。与水不同的是，在很细的微纳光纤中，光不仅在管内传导，其能量也会在表面延伸，从而将光引到目的地。

如今，作为传输光信号的工具，光纤早已融入日常生活的方方面面，比如手机点开一个视频，背后的数据传输，正是依靠光纤来完成的。

“常见玻璃光纤的直径在100微米左右，约为一根头发丝的粗细，这已经非常出出色了”童利民教授解释道，“但我们的目标是将它做得更小，缩小100倍”

 

冰微纳光纤-可见光传输

为何要追求极致的小？这源于对基础科学前沿的探索。

“常规的玻璃光纤的主要成分氧化硅也就是石英砂，是地壳中含量最丰富的物质之一。”童利民介绍，但实际上，在地球及诸多地外星体中，比石英砂更普遍的物质是冰或液态水。因此用冰制备光纤，具有广泛的应用前景。

此外，他还提到，玻璃光纤在可见光和红外波段展现了良好的特性，但在波长更短、能量更高的深紫外光区域，却有点“力不从心”，光损耗急剧增大，“比如一束能量可观的紫外光，通过一定长度的玻璃光纤传输后，最终输出可能会弱到仪器探测不到的程度。”

然而，冰中的水分子如果能够规则排列，在光的操控方面，具有潜在优势。于是，研究团队将目光投向了这种自然界中最常见的物质。

童利民表示，冰和玻璃类似，一整面的玻璃易碎，但如果做成细长的光纤，而且几乎没有缺陷，就能弯曲，“冰也一样，一整块的冰很硬很脆，但够细，而且是微观层面上分子排列整齐的单晶时，力学性能便可呈现出不同特点，也能够弯曲。”

从零开始，首次实现冰的灵活弯曲

“这一发现彻底刷新了大家对冰的认知。”童利民记得，在制备出冰光纤不久，他与国际著名光学专家、加州大学伯克利分校教授沈元壤的讨论中，给沈教授看手机上拍的弯曲冰光纤的实验照片时，沈元壤当即兴奋地召唤另一位同事：“快来看！冰可以弯曲了！”

然而，这样颠覆认知的结果，并非一蹴而就，而是一场漫长探索。

童利民团队在微纳光纤领域深耕多年，他透露，很多年前，团队就已经探讨过用冰做光纤的可能性，但由于实验条件和相关技术受限，这一想法未能付诸实践。

直到2017年，浙江大学冷冻电镜中心成立，为冰光纤的低温显微测量提供了研究条件。

自然界中的冰，通常含有小气泡、裂纹等结构缺陷，这是其容易破碎的主要原因。童利民团队首先要挑战的，便是制备出没有缺陷的冰单晶。

为此，他们从零开始，自行设计搭建生长装置，在低温腔里，精细调控高压电场、温度、湿度等实验生长参数。

同时，借助冷冻电镜的高精度观测能力，团队得以测量冰光纤的直径均匀度、表面光滑度和单晶结构，为实验优化提供了重要依据。

冰光纤

“常规的生长条件无法得到均匀的冰纤维，他们必须探索非常规的区域。”童利民回忆道。团队经历大量实验探索和分析讨论，2018年初，国际上第一根直径均匀、表面光滑、单晶结构的“冰光纤”，在浙江大学的实验室诞生。

单是均匀光滑还不够，要成为合格的光纤，还需要能够自由弯曲。

为了探索冰光纤的弹性应变性能，团队发明了一套低温微纳操控和转移技术，在零下150摄氏度的环境下，精确地让冰光纤实现了灵活弯曲，“在我们的研究中，冰光纤的弹性应变能达到10.9%，接近理论极限。”童利民说道。

拓展认知边界，向科学前沿持续迈进

事实上，在此次入选浙江省科学技术奖之前，童利民率领团队围绕微纳光纤研究，也获得了2021年中国光学十大进展等多项荣誉，“奖项是一种肯定，但并不是终点。”

近年来，童利民团队持续突破，不仅实测验证了冰光纤在紫外波段的低损耗优势，更将光纤制备技术拓展到乙醇、甲烷等物质，为面向不同波段与环境需求的光纤材料，提供更多可能。

那么，一根能弯曲的冰光纤，未来究竟能做什么？童利民指出，在深紫外光等特殊波段，它不仅可以作为高效的线性和非线性光波导，而且在光学精密操控与测量、阿秒激光等前沿研究领域发挥重要作用。

值得期待的是，在一些富含水和冰的星球上，未来人类甚至有望“就地取材”，直接用冰制造光学元件或简易工具，为人类深空探测打开新的思路与可能。

“这项研究最直接的价值，或许是拓宽了人们对材料可能性的想象边界。”童利民坦言，目前冰光纤的应用离大家日常生活距离还比较远，在科学研究方面可实现较快的应用。例如很多实验室都可使用这类微纳光纤作为基本结构，来研究冰和类似材料的物理特性。

童利民和团队

回顾研究历程，不同于大众对科研“苦修”的刻板印象，在童利民看来，这是一种对未知纯粹的热爱与好奇。过程中固然偶有艰辛之处，但大部分时候大家都在好奇、专注和快乐的研究中度过。于他而言，基础研究的一大意义，正是在于不断拓宽人类认知的边界。

“有些探索虽不能立即转化为产品，却可能在未来某个关键时刻，成为文明前行的重要基石。”童利民说道，“总需要有人望向更远的星空，我们很高兴成为这类探索者。”

如今，童利民团队仍在继续探索基于冰光纤及其他微纳光纤突破常规光操控极限的新可能。在科学的前沿，他们的脚步正向着更深处、更远处，持续向前迈进。