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Eis ist hart und spröde – es wäre erstaunlich, einen Eisball um einen weichen Ball zu biegen und ihn wieder in seine ursprüngliche gerade Form zu bringen. Aber genau das haben Forscher jetzt getan, wenn auch in viel kleinerem Maßstab.
Sie haben mikroskopisch kleine Eiskristalle hergestellt, die nicht nur flexibel und widerstandsfähig sind, sondern auch Licht entlang ihrer Länge gut durchlassen. Das Forschungsteam schlug in einer Forschungsarbeit vor, dass diese „Eis-Mikrofasern“ eines Tages zur Untersuchung der Luftverschmutzung verwendet werden könnten. Veröffentlicht Donnerstag in Wissenschaft.
Limin Tong, ein Physiker an der Zhejiang University in China, und seine Kollegen sagten, sie seien inspiriert worden, Eis zu studieren, nachdem sie mit einer Art Quarzglas gearbeitet hatten. Dr. Tong sagte, die tägliche Erfahrung lehre uns, dass Glas in Form von Fenstern oder Trinkschalen zerbrechlich ist. Aber lange, dünne Glasstücke, wie zum Beispiel Glasfaserstränge, sind flexibel. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass das gleiche für Eis gelten würde.
Eis kommt in einer Vielzahl von natürlichen Umgebungen wie Gletschern und Eisbergen vor, aber Dr. Tong und seine Kollegen mussten gefrorenes Wasser nach einer ganz bestimmten Spezifikation herstellen. Dieses Sahnehäubchen sollte fast perfekt sein.
Das Team begann mit der Herstellung einer kreisförmigen Kammer mit einem Durchmesser von mehr als einem Zoll in einem 3D-Drucker. Mit flüssigem Stickstoff kühlten sie das Vakuum in der Kammer auf minus 58 Grad Fahrenheit ab. Dann steckten sie kleine Instrumente in dieses Miniaturlabor, darunter eine Metallnadel mit einer Spannung von 2.000 Volt Strom. Diese Spannung erzeugte ein elektrisches Feld, und Wassermoleküle in der Luft reagierten auf das Feld, indem sie auf der Nadel ruhten. Sehr langsam, mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Hundertstel Zoll pro Sekunde, wuchsen feine, stäbchenförmige Eisfasern aus der Nadelspitze.
Die Mikrofibrillen waren nie sehr lang – sie waren mit bloßem Auge kaum zu erkennen – aber hochauflösende Bilder zeigten, dass es sich um Einkristalle handelte. Dies bedeutet, dass die Atome darin in sich wiederholenden Mustern angeordnet sind. „Atome sind wie Bienenwaben angeordnet“, sagte Dr. Tong.
Diese strukturelle Perfektion, kombiniert mit dem relativen Fehlen von Mikrofasern bei mikroskopischen Unvollkommenheiten – wie kleinen Rissen, Poren und fehlenden Atomen oder Molekülen – macht es viel widerstandsfähiger als natürliches Eis, sagte der Glaziologe Ireland Schulson vom Dartmouth College. Nehmen Sie nicht an der Suche teil.
“Es gibt keine Korngrenzen, keine Risse, keine Merkmale, die die elastische Belastung des Körpers einschränken.”
Um diese Flexibilität zu demonstrieren, drückten Dr. Tong und Kollegen mit mikroskopischen Instrumenten auf die Mikrofasern. Sie zeigten, dass sich Eis wie gekochte Nudeln in fast perfekten Kreisen biegen kann, bevor es unverändert in seine ursprüngliche stabförmige Form zurückkehrt. “Es gab keine bleibende Deformität”, sagte Dr. Schulson, der schrieb. Perspektivenaufsatz, der das naturwissenschaftliche Studium begleitete.
Das Team fand auch heraus, dass die Mikrofasern Licht effektiv entlang ihrer Länge übertragen. Wenn die Forscher sichtbares Licht an ein Ende der Mikrofaser schickten, erschienen am anderen Ende mehr als 99 Prozent. Dr. Tong sagte, dass sie wie Glasfaserfäden funktionieren, die schnelle Internetverbindungen ermöglichen. “Sie können das Licht von einer Seite zur anderen lenken.”
Die Forscher schlagen vor, dass diese Mikrofasern eines Tages zur Untersuchung der Luftqualität verwendet werden könnten. Mit der Umweltverschmutzung verbundene Partikel – zum Beispiel Ruß und Metalle – haften oft an Eisstücken in der Atmosphäre und verändern, wie das Eis Licht absorbiert und reflektiert. Das Team schlägt vor, dass es durch den Bau winziger Fasern aus verschmutztem Eis und die Untersuchung der Lichtausbreitung möglich sein könnte, die Menge und Art der Verschmutzung in der Region besser zu verstehen.