通過特別的結(jié)構(gòu)凍結(jié)成固體，避免低溫刺破細(xì)胞結(jié)構(gòu)，解決了一項(xiàng)冬眠技術(shù)問題。

冰是一種復(fù)雜的小混蛋。雖然你和我只接觸過它常用來見人的那一面，但科學(xué)家實(shí)際上早已知道大約20種不同的變種冰——有些特別玄奧和罕見，可能只存在于計(jì)算機(jī)模擬或在遙遠(yuǎn)星際中。

因?yàn)樗軌蛞栽S多不同的方式凍結(jié)成固體，結(jié)晶過程并非是不可避免的。在一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們創(chuàng)造出似乎永遠(yuǎn)都不會(huì)結(jié)晶的水，即使在接近絕對(duì)零度下也是如此。

有很多方法可以制造出所謂的“不會(huì)凍結(jié)的水”，但科學(xué)家們還在不斷尋找新方法來測(cè)試這些技術(shù)的極限。

其中一些研究涉及所謂的無(wú)定形冰，一種無(wú)晶體結(jié)構(gòu)但以固體形式存在的水，因?yàn)樗肿颖蛔柚惯M(jìn)入結(jié)晶過程。

去年，瑞典的科學(xué)家成功地將液態(tài)水過冷卻到了-45℃的創(chuàng)紀(jì)錄低溫，同時(shí)保證沒有結(jié)冰，但現(xiàn)在瑞士的研究人員走得更遠(yuǎn)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世大學(xué)的研究人員在合成脂質(zhì)膜的幫助下，使用“納米元胞”形態(tài)的水分子，能夠一直冷卻到-263℃——距離絕對(duì)零度只有10攝氏度——沒有結(jié)冰。

“把水物理限制在納米尺度的預(yù)處理操作，可以在控制其性質(zhì)方面發(fā)揮重要作用，”他們的論文解釋道，“特別是，在納米尺度的限制可以抑制水分子排列成冰晶結(jié)構(gòu)，從而避免低溫結(jié)晶并導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)定形水狀態(tài)?！?/p>

為了捕獲懵懵懂懂的水分子，該團(tuán)隊(duì)合成了一類新的脂肪分子，形成一種被稱為脂質(zhì)中間相的柔軟生物材料。

在這種結(jié)構(gòu)中，脂肪分子自組成一種結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)極窄的連接通道網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)通道的直徑小于1納米。

在這些微小的隧道內(nèi)部，水分子可以以液體形式存在，但是空間限制導(dǎo)致在分子水平上無(wú)法出現(xiàn)冰結(jié)晶——甚至當(dāng)用液氦冷卻脂質(zhì)中間相到約10開爾文時(shí)，也是如此。

研究人員說，這種納米結(jié)構(gòu)的成功之處在于脂肪物質(zhì)內(nèi)部的分子修飾，它重新排列了中間相的疏水和親水部分。

“我們發(fā)明的脂質(zhì)材質(zhì)的創(chuàng)新之處是將高度應(yīng)變的三元環(huán)引入分子疏水部分的特定位置?！碧K黎世大學(xué)的化學(xué)家Ehud Landau說，“這些能夠產(chǎn)生必要的曲率，從而產(chǎn)生微小的水通道，防止脂質(zhì)結(jié)晶?！?/p>

雖然沒有發(fā)生結(jié)晶，但在超低溫下，水確實(shí)變成“玻璃狀”：物質(zhì)的亞狀態(tài)，雖然在分子水平上是固體但不是冰。

鑒于根本沒有結(jié)晶過程，研究人員表示，脂質(zhì)中間相膜有朝一日可以幫助科學(xué)家保存基于蛋白質(zhì)的物質(zhì)，而不會(huì)損壞它們的結(jié)構(gòu)，在極低溫度下保持其原始形態(tài)，或幫助我們找到防止水凍結(jié)的新方法。比如說，未來用液氮封存絕癥患者，避免人體水分結(jié)晶破壞各處結(jié)構(gòu)。

“但我們的工作并非針對(duì)想象中的應(yīng)用，”來蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的物理學(xué)家和軟材料研究員Raffaele Mezzenga說，“我們的主要重點(diǎn)是為研究人員提供一種新工具，以促進(jìn)低溫分子結(jié)構(gòu)的研究，排除冰晶體的干擾，最終了解生命的兩個(gè)主要組成部分，水和脂質(zhì)如何在極端溫度和幾何條件下相互作用?！?/p>

該研究結(jié)果發(fā)表在Nature Nanotechnology上。