科學家找到新方法,讓水在接近絕對零度時也不會產生冰晶

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 13 日 9:34 | 分類 自然科學 follow us in feedly


我們都知道製作冰塊是怎麼回事:將水倒入容器放入冰庫,不久後水會結晶變成冰塊,此時如果你仔細觀看冰晶結構,便會發現水分子排列成規則的三維晶體結構,相較之下,水中的分子則無序,這也是水為什麼能流動的原因──但這是指在正常情況下。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)和蘇黎世大學(University of Zurich)團隊近期找到一種方式,能讓水在極低溫時也不會形成冰晶,即使接近絕對零度的溫度,也能保持液體的非晶特徵。

第一步,研究人員設計並合成一類新的脂質(lipids),並用它創造稱為中間相脂質(lipidic mesophase)的「柔軟」生物物質,在這種材料中,脂質會自發性聚集並形成膜,表現方式就與天然脂肪分子十分相似。

這些膜會均勻排列,形成直徑小於 1 奈米的連接通道網路,由於通道過於狹窄,沒有空間讓水分子形成冰晶,因此即使在極低溫度下水分子仍然無序。

刊載於《自然─奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊的研究報告中,團隊使用液態氦將中間相脂質組合溫度降至 -263°C,而這只比絕對零度高 10 度的溫度中,水只是變得像「玻璃」一樣,冰晶依然沒有形成。

ETH Zurich 食品與軟材料實驗室 Raffaele Mezzenga 教授指出,過程中關鍵因素是脂質與水的比例,混合物的水含量決定了中間相脂質會產生幾何形狀變化的溫度。舉例來說,如果混合物含 12% 水,中間相結構會在約 -15°C 時從立方迷宮轉變為層狀結構。

正常的冷凍過程,當冰晶形成,通常會破壞並損毀膜和關鍵大型生物分子,這也讓科學家在研究與脂質膜相互作用時難以確認結構和功能,而團隊使用的新方式正好能保留分子的原始狀態,解決過去面臨的問題。

Mezzenga 強調,團隊的主要目標是為研究人員提供新工具,促進低溫下分子結構的研究,最終理解生命的兩個重要組成:水和脂類,在極端溫度條件和幾何限制條件下如何相互作用。但當然,在任何需要防止水凍結的場合,這種新型柔軟物質也仍有潛在應用可能。

「我們的研究為未來項目鋪平了道路」。

(首圖來源:ETH Zurich / Peter Rüegg