Elastische Fasern aus Eis

Von der Schneeflocke bis zum Eiszapfen erstarrt Wasser in vielen verschiedenen Formen. Die Eiskristalle, die sich dabei bilden, sind meist spröde und brechen leicht. Doch nun gelang es Forschern mit einem ausgeklügelten Experiment, elastische und flexible Mikrofasern aus Wassereis herzustellen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, ließen sich die dünnen Fasern aus Eis flexibel biegen und leiteten Licht sogar ähnlich gut wie Glasfasern.

In ihrem Experiment ließen Limin Tong von der Zhejiang-Universität in Hangzhou und seine Kollegen wenige Mikrometer dünne Eisfasern in einer Kältekammer bei rund minus 50 Grad Celsius wachsen. Dabei lagerten sich zunächst Wassermoleküle auf einer kleinen Spitze aus Wolfram ab und bildeten dort Eiskristalle, aus denen sehr gleichmäßig aufgebaute Eisfasern anwuchsen. Um dieses Wachstum der Kristalle zu steuern, nutzten die Forscher elektrische Felder mit Spannungen von etwa 2000 Volt. Binnen zwei Sekunden bildeten sich so Eisfasern von knapp einem halben Millimeter Länge.

Anschließend brachten die Forscher diese Eisfasern in eine kältere Versuchskammer, in der es bis zu minus 150 Grad Celsius kalt war. In dieser untersuchten sie sowohl die mechanischen als auch die optischen Eigenschaften der Eisfasern. Es zeigte sich, dass sich die Fasern stark und flexibel verbiegen ließen, ohne zu zerbrechen. Ohne Belastung schnellten sie stattdessen wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Bei diesen Verformungen wurden die Eisfasern an der Innenseite der Biegung um knapp elf Prozent gestaucht – ein so hoher Wert war bisher für Eiskristalle nicht erreicht worden.

Mit Mikroskopen und verschiedenen Analysemethoden untersuchten Tong und seine Kollegen die flexiblen Fasern noch genauer. Dabei entdeckten sie, dass beim Biegen sogar ein Übergang zwischen zwei verschiedenen Formen der Eiskristalle stattfindet. Zusätzlich untersuchten die Wissenschaftler, wie gut die Eisfasern in der Lage sind, Licht zu leiten. Dazu sendeten Tong und seine Kollegen Lichtwellen längs durch die Eisfasern und stellten fest, dass die Fasern Licht fast ohne Verluste leiten – wie eine herkömmliche Glasfaser. Dies führen die Forscher darauf zurück, dass die Eisfasern aus nahezu defektfreien Kristallen bestehen.

Diese Experimente offenbaren bisher nicht beobachtete Eigenschaften von Eiskristallen, wenn sie sehr dünne Fasern bilden. Als Lichtwellenleiter sind sie allerdings kaum einsatzbar, da ihre gleichmäßige Struktur nur bei sehr kalter Umgebung Bestand hat und die Fasern bei null Grad Celsius schmelzen. „Doch wir haben nun eine neue Plattform, um die Eigenschaften von Eis auf der Mikro- und Nanometerskala untersuchen zu können“, sagt Limin Tong. Mit seinen Kollegen plant er derzeit weitere Versuche, in denen die Eisfasern als Sensor dienen sollen, um etwa Strukturveränderungen oder Verformungen an Eisoberflächen aufzuspüren.