让水在接近绝对零度时也无法结晶的高超技术

冰是一种复杂的小混蛋。虽然你和我只接触过它常用来见人的那一面,但科学家实际上早已知道大约20种不同的变种冰——有些特别玄奥和罕见,可能只存在于计算机模拟或在遥远星际中。

因为水能够以许多不同的方式冻结成固体,结晶过程并非是不可避免的。在一项新实验中,科学家们创造出似乎永远都不会结晶的水,即使在接近绝对零度下也是如此。

有很多方法可以制造出所谓的“不会冻结的水”,但科学家们还在不断寻找新方法来测试这些技术的极限。

其中一些研究涉及所谓的无定形冰,一种无晶体结构但以固体形式存在的水,因为水分子被阻止进入结晶过程。

去年,瑞典的科学家成功地将液态水过冷却到了-45℃的创纪录低温,同时保证没有结冰,但现在瑞士的研究人员走得更远。

让水在接近绝对零度时也无法结晶的高超技术

苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的研究人员在合成脂质膜的帮助下,使用“纳米元胞”形态的水分子,能够一直冷却到-263℃——距离绝对零度只有10摄氏度——没有结冰。

“把水物理限制在纳米尺度的预处理操作,可以在控制其性质方面发挥重要作用,”他们的论文解释道,“特别是,在纳米尺度的限制可以抑制水分子排列成冰晶结构,从而避免低温结晶并导致出现无定形水状态。”

为了捕获懵懵懂懂的水分子,该团队合成了一类新的脂肪分子,形成一种被称为脂质中间相的柔软生物材料。

在这种结构中,脂肪分子自组成一种结构,形成一个极窄的连接通道网络,每个通道的直径小于1纳米。

在这些微小的隧道内部,水分子可以以液体形式存在,但是空间限制导致在分子水平上无法出现冰结晶——甚至当用液氦冷却脂质中间相到约10开尔文时,也是如此。

研究人员说,这种纳米结构的成功之处在于脂肪物质内部的分子修饰,它重新排列了中间相的疏水和亲水部分。

“我们发明的脂质材质的创新之处是将高度应变的三元环引入分子疏水部分的特定位置。”苏黎世大学的化学家Ehud Landau说,“这些能够产生必要的曲率,从而产生微小的水通道,防止脂质结晶。”

虽然没有发生结晶,但在超低温下,水确实变成“玻璃状”:物质的亚状态,虽然在分子水平上是固体但不是冰。

鉴于根本没有结晶过程,研究人员表示,脂质中间相膜有朝一日可以帮助科学家保存基于蛋白质的物质,而不会损坏它们的结构,在极低温度下保持其原始形态,或帮助我们找到防止水冻结的新方法。比如说,未来用液氮封存绝症患者,避免人体水分结晶破坏各处结构。

“但我们的工作并非针对想象中的应用,”来苏黎世联邦理工学院的物理学家和软材料研究员Raffaele Mezzenga说,“我们的主要重点是为研究人员提供一种新工具,以促进低温分子结构的研究,排除冰晶体的干扰,最终了解生命的两个主要组成部分,水和脂质如何在极端温度和几何条件下相互作用。”

该研究结果发表在Nature Nanotechnology上。

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