04.14 科學家們找到了永遠不會變成冰的水

科學家們找到了永遠不會變成冰的水

冰是一種複雜的物質。雖然冰的狀態好像僅有一種，但科學家們實際上知道冰大約20種不同的分子變種，有些如此深奧和罕見，它們可能只存在於計算機模擬中，或埋藏在遙遠的行星中。

因為水可以通過許多不同的方式凍結成固體，其結晶有可能避免的。

在一項新實驗中，科學家們能夠創造出似乎永遠不會變成冰的水，即使在接近絕對零度的溫度下也是如此。

有許多方法可以創造出所謂的“無定形水”，但科學家們不斷尋找新方法來測試這些技術的極限。

其中一些涉及研究所謂的無定形冰，一種無定形但固體形式的水，其中冰從未形成，因為水分子被阻止進入結晶過程。

去年，瑞典的科學家成功地將液態水冷卻到了-45攝氏度的創紀錄低溫，沒有結冰，但現在瑞士的研究人員走得更遠了。

蘇黎世聯邦理工學院和蘇黎世大學的研究人員在合成的脂質膜的幫助下，使用一種“納米細胞”水分子，能夠將水冷卻到了-263攝氏度而沒結冰，僅比絕對零度（即−273.15℃）高10攝氏度。

研究人員在論文中解釋道：“納米級水的物理限制可以在控制其性質方面發揮重要作用，特別是，在納米範圍內的限制可以抑制水分子排列成冰結構，從而防止在零下溫度下結晶併產生無定形水狀態。”

為了捕獲水分子，該團隊合成了一類新的脂肪分子，形成一種稱為脂質中間相的柔軟生物材料。

脂質中間相的3D模型

在這種結構中，脂肪分子自組裝成一種排列，形成一個極窄的連接通道網絡，每個通道的直徑小於1納米。

在這些微小的隧道內部，水分子可以以液體形式存在，但是空間是如此令人難以置信的限制，在分子水平上冰結晶是不可能的，甚至當脂質中間相用液氦冷卻到大約10開爾文(-263.15攝氏度)時也是如此。

研究人員說，由於脂肪物質原子結構內部的分子修飾,這種納米結構重新排列了中間相的疏水（疏水）和親水（吸水）部分。

蘇黎世大學的化學家Ehud Landau說:“我們的脂質的新穎性是將高度應變的三元環引入分子疏水部分的特定位置,這些能夠產生必要的曲率，從而產生如此微小的水通道，防止脂質結晶。”

該材料形成可限制水的分支膜，圖中淺藍色所示

雖然沒有發生結晶，但在這些超低溫下，水確實變成“玻璃狀”：物質的亞狀態，雖然在分子水平上是固體，但卻不是冰，它不像冰一樣結晶。

鑑於冰晶從未形成，研究人員表示，脂質中間相膜有朝一日可以幫助科學家保存基於蛋白質的物質，而不會損壞它，在極低溫度下保持其原始形態，或幫助我們找到防止水結成冰的新方法。

蘇黎世聯邦理工學院的物理學家和軟材料研究員Raffaele Mezzenga說：“我們的主要重點是為研究人員提供一種新工具，以促進低溫分子結構的研究，不含冰干擾晶體，最終了解生命的兩個主要組成部分，水和脂質如何在極端溫度和幾何條件下相互作用。“

該研究結果發表在《自然納米科技》雜誌上。