Elastische Fasern aus Eis

Hangzhou (China) - Von der Schneeflocke bis zum Eiszapfen erstarrt Wasser in vielen verschiedenen Formen. Die Kristalle sind meist spröde und brechen leicht. Doch Wassereis kann auch verblüffend elastische und flexible Mikrofasern bilden. Dieses Kunststück gelang nun chinesischen Forschern mit einem ausgeklügelten Experiment. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten die dünnen, ebenmäßigen Eisfasern flexibel gebogen werden und leiteten Licht sogar ähnlich gut wie Glasfasern.

Limin Tong von der Zhejiang University in Hangzhou und seine Kollegen züchteten ihre wenige Mikrometer dünnen Eisfasern in einer Kältekammer bei rund minus 50 Grad Celsius. Auf einer kleinen Spitze aus Wolfram lagerten sich Wassermoleküle zu sehr gleichmäßig aufgebauten Eisfasern ab. Das Wachstum der Kristalle lenkten sie dabei mit elektrischen Spannungsfelder mit etwa 2000 Volt. Binnen zwei Sekunden bildeten sich so Eisfasern von knapp einem halben Millimeter Länge.

Diese Eisfasern transferierten die Forscher in eine mit bis zu minus 150 Grad noch kältere Versuchskammer. In dieser konnten sie sowohl die mechanischen als auch optischen Eigenschaften der Eisfasern genauer untersuchen. So ließen sich die Fasern in überraschend engen Radien flexibel verbiegen ohne das sie brachen. Wie klassische Glasfasern schnellten sie ohne Belastung wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Bei diesen Verformungen wurden die Eisfasern im inneren Biegebogen um knapp elf Prozent gestaucht – ein bisher für Eiskristalle unerreichter hoher Wert.

Mit Mikroskopen und verschiedenen Spektroskopiemethoden untersuchten Tong und Kollegen ihre Eisfasern noch genauer. Dabei entdeckten sie, dass die Eiskristalle beim Biegen sogar einen Phasenübergang zwischen zwei verschiedenen Kristallformationen zeigten. Zusätzlich schickten sie Lichtwellen im sichtbaren Bereich des Spektrums längs durch die Eisfasern. Wegen ihres nahezu pefekten, defektfreien Aufbaus konnten die Eisfasern diese Lichtwellen fast ohne Verluste leiten wie eine klassische Glasfaser aus Siliziumdioxid.

Diese Experimente offenbaren bisher nicht beobachtete Eigenschaften von Eiskristallen, wenn sie sich gleichmäßig in sehr dünnen Fasern anordnen. Als Lichtwellenleiter sind sie allerdings kaum einsatzbar, da der gleichmäßige Aufbau bei geringer Kälte verloren geht und die Fasern natürlich wie jedes Wassereis ab dem Gefrierpunkt von null Grad schmelzen. „Doch wir haben nun eine neue Plattform, um die Eigenschaften von Eis auf der Mikro- und Nanometer-Skala untersuchen zu können“, sagt Limin Tong. Mit seinen Kollegen plant er derzeit weitere Versuche, in denen die Eisfasern als optischer Sensor für das Aufspüren von Verformungen an der Eis-Oberfläche und weitere Strukturveränderungen dienen könnten.