有永不结冰的水吗

有永不结冰的水吗

制作冰块的过程很简单:你拿一个塑料冰块托盘，就像你在大多数家庭里看到的那样，装满水，然后放进冰箱。不久，水就会结晶并变成冰。如果你要分析冰晶的结构，你会发现水分子是以规则的三维晶格结构排列的。相比之下，在水里，分子是无组织的，这就是水流动的原因。

由Raffaele Mezzenga教授和Ehud Landau教授领导的苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的一组物理学家和化学家发现了一种不寻常的方法来阻止水形成冰晶，因此即使在极低的温度下，水仍然具有液体的非晶态特征。

在第一步中，研究人员设计并合成了一类新的脂类(脂肪分子)，以创造一种新的“软”生物物质形式，称为脂质中间相。在这种材料中，脂质自发地自我组装和聚集形成膜，其行为方式与天然脂肪分子相似。然后，这些薄膜采用统一的排列方式，形成一个由直径小于1纳米的连接通道组成的网络。温度、含水量以及所设计的新型脂质分子结构决定了脂质中间相的结构。

这种结构的特别之处在于——不像在冰块托盘中——在狭窄的通道中没有空间让水形成冰晶，所以即使在极低的零度温度下，它仍然是无序的。脂质也不会冻结。利用液氦，研究人员能够将由化学修饰的单酰基甘油组成的脂质中间相冷却到零下263摄氏度，仅比绝对零度高10度，而且仍然没有形成冰晶。在这个温度下，水变成了“玻璃状”，正如研究人员能够在模拟中证实的那样。最近，他们在《自然纳米技术》杂志上发表了一篇论文，研究了在脂质中间相中，水的这种不寻常行为。

苏黎世联邦理工学院食品与软性材料实验室的Raffaele Mezzenga教授解释说:“关键因素是脂质与水的比例。”因此，正是混合物中的含水量决定了中相几何形状变化的温度。例如，如果混合物的体积中含有12%的水，中间相的结构将在零下15摄氏度时从立方迷宫转变为层状结构。

苏黎世大学(University of Zurich)化学教授埃胡德•兰多(Ehud Landau)表示:“这些脂质如此难以开发，是因为它们的合成和纯化。”他解释说，这是因为脂质分子有两部分;疏水的(排斥水)和亲水的(吸引水)。他说:“这让他们非常难以共事。”由脂质膜和水形成的软生物材料具有复杂的结构，使水与疏水部分的接触最小化，并使其与亲水部分的界面最大化。研究人员在某些细菌的细胞膜上建立了一类新的脂质模型。这些细菌还产生一种特殊的自组装脂质，可以自然地将水限制在内部，使微生物能够在非常寒冷的环境中生存。“我们的脂类的新奇之处在于，在分子的疏水性部分引入了高度紧张的三元环，”Landau说。“这些使必要的曲率产生如此微小的水渠，并防止脂质结晶。”

这些新的脂质中间相将主要作为其他研究人员的工具。它们可以用于非破坏性的分离，保存和研究大的生物分子在膜模拟环境中，例如使用低温电子显微镜。生物学家越来越多地转向这种方法来确定蛋白质或大分子复合物等大型生物分子的结构和功能。

Mezzenga说:“在正常的冷冻过程中，当冰晶形成时，它们通常会破坏细胞膜和重要的大生物分子，这使得我们无法确定它们与脂质膜相互作用时的结构和功能。”但在新的中间相中就不一样了，这种中间相是无损的，它能将这些分子保持在它们原来的状态，并与生命的另一个关键组成部分——脂质共存。“我们的研究正在为未来的项目铺平道路，以确定蛋白质如何以其原始形式保存下来，并在非常低的温度下与脂质膜相互作用，”这位ETH教授说。