童利民、郭欣研究团队发文报道有机小分子冰微纳光纤

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研究成果概述

近日，浙江大学光电科学与工程学院童利民教授、郭欣教授研究团队，通过直接拉伸过冷有机液滴的方法，在低温下研制成功直径小至200nm、长度达5cm的有机小分子冰微纳光纤（OIMFs），并展现出优异的机械性能（最大弹性应变可达3.3%）和光学性能（传输损耗低至0.025dB/cm），同时该类光纤还具有较高的光学非线性，为低温微纳光子学及有机小分子材料研究提供了新平台。

相关研究结果以“Small-molecule organic ice microfibers”为题于2025年1月8日发表在《Science Advances》杂志。

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研究背景

有机小分子主要由碳、氢、氧组成，广泛存在于星际尘埃、行星表面及其他极端环境中。相对于无机分子，它们展现出更出色的多功能性、可设计性和可调控性，在凝聚态物理、有机化学、材料科学、生物学、生命科学、天文学和宇宙探索等领域扮演着重要角色。不同于地球上常见的液态、气态形式，在宇宙星云、地外天体等低温环境中，有机小分子物质一般以固态形式存在，被称为有机冰。在过去的几十年里，人们对有机冰的研究主要集中在光谱特征、相变和光化学过程等领域，而对有机冰的本征特性、特别是极限力学与光学特性，研究很少。

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研究亮点

针对上述问题，结合新型微纳光纤材料探索，研究团队提出在玻璃化转变温度附近直接拉伸过冷有机小分子液滴的方法（图1A,B），成功获得了乙醇、甲醇等十余种直径在200nm至10μm，长度最大达5cm的有机小分子冰微纳光纤（OIMFs）。在光学显微镜（图1C）和冷冻透射电子显微镜（图1D,E）下，这些OIMFs展示了很好的直径均匀性、很小的表面粗糙度（仅约0.5nm）及高度均匀的内部玻璃态结构（图1E，插图）。

图1.有机小分子冰微纳光纤的制备和微观表征

由于具有高度结构均匀性，这些OIMFs具有优异的力学性能（图2）。团队在拉伸实验中（图2A），观察到在98K温度下，7.5μm直径的乙二醇OIMF能够承受高达3.3%的弹性应变（图2B），并具有很好的柔韧性。对于同一种OIMF，弹性应变范围随温度升高而变小（图2C）。另外，对于乙二醇OIMFs进行的力学测量结果表明，杨氏模量随温度升高而单调下降（图2D）。

图2.有机小分子冰微纳光纤的机械性能表征

同时，良好的直径均匀性和表面光滑度使得OIMFs可以在低温下用作低损耗光波导（图3A）。通过OIMF拉伸过程中不同长度传输特性的测量（图3B），可以获得OIMFs的光学传输损耗，最低可至0.025dB/cm（图3C），接近材料本征吸收极限。另外，基于自行搭建的双Fabry-Pérot谐振腔测量系统，团队首次获得了这些非晶态有机小分子冰的折射率精确值（图3D）。

图3.有机小分子冰微纳光纤的光学性能表征

此外，团队还对OIMFs的结构化、功能化应用进行了探索（图4）。比如，研制成功乙醇OIMF微环谐振腔（图4A-C），观察到显著的光学谐振响应（图4B,C）；基于四氯化碳-乙苯（50：50）OIMFs的高光学非线性特性，实现低阈值超连续光谱产生（图4D），实验结果与理论计算结果基本一致（图4E）。

图4.有机小分子冰微纳光纤的多功能应用

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总结与展望

该研究首次将有机小分子冰制备成微纳光纤这一低维结构，揭示了其在低温下优异的光学与力学特性，及其未来在低温力学、微纳光子学、新材料研究等方面的应用前景。

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论文/作者信息

论文第一作者为崔博文博士，共同通讯作者为郭欣教授和童利民教授。该工作得到了国家重点研发计划、新基石研究员项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等资助。

论文信息及链接

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

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