目前在实验室中有成功制成无定型冰的案例吗？对人类生活可以有哪些影响？
关于实验室中制成无定型冰的成功案例，以及它对人类生活的潜在影响，这绝对是一个引人入胜且充满想象力的话题。让我们深入探讨一下。
首先，要明确一点：实验室中确实存在成功制备无定型冰的案例，而且这是一个活跃的研究领域。 科学家们早就知道，我们日常生活中常见的冰块，也就是我们称之为“晶体冰”（主要是六方晶系冰，Ice Ih），是水分子以规则、有序的晶格结构排列形成的。而无定型冰，顾名思义，则是水分子缺乏这种长程有序的结构，呈现出一种相对混乱、无序的状态。
实验室如何“制造”无定型冰？
制造无定型冰的关键在于阻止水分子有足够的时间和能量去形成规则的晶格。 常用的方法主要有以下几种：
1. 快速冷冻（Rapid Cooling / Vitrification）： 这是最直接也最常见的方法。想象一下，你要让一碗水变成冰。如果你慢慢冻，它就会形成规整的冰晶。但如果你能以极快的速度将水“瞬间”冷却到零度以下，水分子还没有来得及找到自己的“位置”并排好队，就已经被“冻结”在原地了，从而形成无定型冰。
具体技术： 实验室中常用的技术是高速喷射法（HighPressure Jet Spray） 或 薄膜冷却法（Thin Film Cooling）。例如，将极细的水流以极高的速度喷射到极冷的金属表面（温度低至190℃左右），或者将一层非常薄的水膜放在超低温的基底上，这种极高的冷却速率（每秒可达10的6次方到10的9次方摄氏度）能够有效阻止晶体的形成。
玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature, Tg）： 对于很多物质来说，当它们被冷却到一定温度以下时，会从黏稠的液体转变为坚硬的非晶态固体，这个转变的起始温度就是玻璃化转变温度。对于水，理论上存在一个玻璃化转变温度（大约在130℃到140℃之间），但要达到这个状态需要非常高的冷却速率。
2. 高压处理（HighPressure Treatment）： 在极高的压力下，水分子之间的距离被极大地压缩，这也会阻碍它们形成规整的晶格。通过在特定温度下施加高压，然后快速减压，也能得到无定型冰。然而，这种方法通常会得到在特定压力下的无定型冰相。
3. 其他方法： 还有一些研究尝试通过改变水的化学环境，比如加入某些溶质（如糖、酒精等），它们可以作为“结构破坏者”或“玻璃化助剂”，降低水的结晶能力，在相对温和的条件下形成无定型冰。
这些无定型冰有什么不同？
无定型冰与我们熟悉的晶体冰在结构上有着本质的区别：
结构： 晶体冰的分子排列高度有序，形成一个周期性的三维网络。而无定型冰的分子排列则更像是“冻结”的液体，虽然分子之间有氢键连接，但它们没有形成长程的有序结构，看起来更像是一种“冰玻璃”。
密度： 根据制备条件的不同，无定型冰也可能存在密度差异较大的几种形式，例如“低密度无定型冰（LDA）”和“高密度无定型冰（HDA）”。这与水分子的堆积方式有关。
物理性质： 由于结构上的差异，无定型冰在熔点、黏度、导热性、介电常数等方面与晶体冰有所不同。例如，无定型冰在加热到一定温度时会发生“再结晶”，转变成晶体冰。
无定型冰对人类生活可能产生的影响？
虽然目前无定型冰主要存在于实验室研究中，但一旦能够大规模、稳定地制备和利用，它可能对人类生活产生深远的影响，尤其是在以下几个方面：
1. 生物医学领域的冷冻保存（Cryopreservation）：
挑战： 目前我们在进行细胞、组织或器官的冷冻保存时，面临的最大难题是如何避免冰晶的形成。冰晶在形成过程中会刺破细胞膜，导致细胞死亡。即使使用冷冻保护剂（如DMSO），也难以完全避免冰晶的危害。
无定型冰的机遇： 如果能够将生物样品“无晶化”地冷冻保存，也就是将其转化为无定型冰的状态，那么就可以极大地提高冷冻保存的效率和细胞存活率。想象一下，我们可以在极低的温度下将器官瞬间“玻璃化”，然后在需要时再进行复苏。这将彻底改变器官移植、细胞治疗、精子和卵子冷冻保存等领域。目前的研究也在致力于开发高效的玻璃化技术和新型的冷冻保护剂。
2. 食品工业的保鲜与加工：
改善口感： 在食品冷冻过程中，冰晶的形成是导致食物质地变差（如解冻后变得软烂、出现空隙）的主要原因。如果能够使用无定型冰技术来冷冻食品，可以最大程度地保留食物原有的口感、风味和营养。比如冷冻水果、蔬菜、海鲜等，解冻后会更加接近新鲜状态。
新型食品开发： 可能会催生出新的冷冻食品类型，或者改进现有食品的加工工艺。
3. 材料科学与工程：
新型功能材料： 水作为一种基本的分子，其固态形式的变化也可能带来意想不到的材料科学应用。例如，某些无定型冰的介电性能或机械性能可能与晶体冰不同，或许能在特定领域找到应用。
研究基础： 对无定型冰的研究，也在加深我们对“水”这种神奇物质本质的理解，这本身就具有巨大的科学价值，并可能为新材料的发现提供理论基础。
4. 基础科学研究：
理解水的特性： 冰有多种晶型和无定型形式，这反映了水分子之间氢键网络的复杂性。研究无定型冰有助于科学家们更深入地理解水的相变、氢键动力学以及液态水和固态水之间的过渡机制。这对于理解生命过程（如水在生物体内的作用）、地球气候变化、以及宇宙中水的存在和演化都至关重要。
探索极端条件下的物质行为： 无定型冰的制备往往涉及极高的冷却速率或极高的压力，这本身就是探索物质在极端条件下行为的窗口。
目前的挑战和未来展望：
尽管前景广阔，但要实现无定型冰的广泛应用，仍有许多挑战需要克服：
规模化制备： 目前实验室制备无定型冰的效率和规模都有限，如何实现大规模、低成本的生产是关键。
稳定性： 无定型冰通常不如晶体冰稳定，在高于其玻璃化转变温度或在特定环境下容易发生转变。如何提高其稳定性是另一个重要课题。
复苏过程： 对于生物医学应用，如何将无定型冰状态的生物样品安全、有效地“解冻”并恢复其活性，也需要精细的控制和技术。
总而言之，实验室中制备无定型冰并非科幻小说中的情节，而是正在进行的、并且已经取得一定进展的科学研究。它的成功制备，不仅是对水这种生命之源基础性质的深刻探索，也为生物医学、食品科学乃至更广泛的领域带来了革命性的潜在应用。随着技术的不断进步，我们或许真的能迎来一个由“冰玻璃”构建的全新时代。
首先，要明确一点：实验室中确实存在成功制备无定型冰的案例，而且这是一个活跃的研究领域。 科学家们早就知道，我们日常生活中常见的冰块，也就是我们称之为“晶体冰”（主要是六方晶系冰，Ice Ih），是水分子以规则、有序的晶格结构排列形成的。而无定型冰，顾名思义，则是水分子缺乏这种长程有序的结构，呈现出一种相对混乱、无序的状态。
实验室如何“制造”无定型冰？
制造无定型冰的关键在于阻止水分子有足够的时间和能量去形成规则的晶格。 常用的方法主要有以下几种：
1. 快速冷冻（Rapid Cooling / Vitrification）： 这是最直接也最常见的方法。想象一下，你要让一碗水变成冰。如果你慢慢冻，它就会形成规整的冰晶。但如果你能以极快的速度将水“瞬间”冷却到零度以下，水分子还没有来得及找到自己的“位置”并排好队，就已经被“冻结”在原地了，从而形成无定型冰。
具体技术： 实验室中常用的技术是高速喷射法（HighPressure Jet Spray） 或 薄膜冷却法（Thin Film Cooling）。例如，将极细的水流以极高的速度喷射到极冷的金属表面（温度低至190℃左右），或者将一层非常薄的水膜放在超低温的基底上，这种极高的冷却速率（每秒可达10的6次方到10的9次方摄氏度）能够有效阻止晶体的形成。
玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature, Tg）： 对于很多物质来说，当它们被冷却到一定温度以下时，会从黏稠的液体转变为坚硬的非晶态固体，这个转变的起始温度就是玻璃化转变温度。对于水，理论上存在一个玻璃化转变温度（大约在130℃到140℃之间），但要达到这个状态需要非常高的冷却速率。
2. 高压处理（HighPressure Treatment）： 在极高的压力下，水分子之间的距离被极大地压缩，这也会阻碍它们形成规整的晶格。通过在特定温度下施加高压，然后快速减压，也能得到无定型冰。然而，这种方法通常会得到在特定压力下的无定型冰相。
3. 其他方法： 还有一些研究尝试通过改变水的化学环境，比如加入某些溶质（如糖、酒精等），它们可以作为“结构破坏者”或“玻璃化助剂”，降低水的结晶能力，在相对温和的条件下形成无定型冰。
这些无定型冰有什么不同？
无定型冰与我们熟悉的晶体冰在结构上有着本质的区别：
结构： 晶体冰的分子排列高度有序，形成一个周期性的三维网络。而无定型冰的分子排列则更像是“冻结”的液体，虽然分子之间有氢键连接，但它们没有形成长程的有序结构，看起来更像是一种“冰玻璃”。
密度： 根据制备条件的不同，无定型冰也可能存在密度差异较大的几种形式，例如“低密度无定型冰（LDA）”和“高密度无定型冰（HDA）”。这与水分子的堆积方式有关。
物理性质： 由于结构上的差异，无定型冰在熔点、黏度、导热性、介电常数等方面与晶体冰有所不同。例如，无定型冰在加热到一定温度时会发生“再结晶”，转变成晶体冰。
无定型冰对人类生活可能产生的影响？
虽然目前无定型冰主要存在于实验室研究中，但一旦能够大规模、稳定地制备和利用，它可能对人类生活产生深远的影响，尤其是在以下几个方面：
1. 生物医学领域的冷冻保存（Cryopreservation）：
挑战： 目前我们在进行细胞、组织或器官的冷冻保存时，面临的最大难题是如何避免冰晶的形成。冰晶在形成过程中会刺破细胞膜，导致细胞死亡。即使使用冷冻保护剂（如DMSO），也难以完全避免冰晶的危害。
无定型冰的机遇： 如果能够将生物样品“无晶化”地冷冻保存，也就是将其转化为无定型冰的状态，那么就可以极大地提高冷冻保存的效率和细胞存活率。想象一下，我们可以在极低的温度下将器官瞬间“玻璃化”，然后在需要时再进行复苏。这将彻底改变器官移植、细胞治疗、精子和卵子冷冻保存等领域。目前的研究也在致力于开发高效的玻璃化技术和新型的冷冻保护剂。
2. 食品工业的保鲜与加工：
改善口感： 在食品冷冻过程中，冰晶的形成是导致食物质地变差（如解冻后变得软烂、出现空隙）的主要原因。如果能够使用无定型冰技术来冷冻食品，可以最大程度地保留食物原有的口感、风味和营养。比如冷冻水果、蔬菜、海鲜等，解冻后会更加接近新鲜状态。
新型食品开发： 可能会催生出新的冷冻食品类型，或者改进现有食品的加工工艺。
3. 材料科学与工程：
新型功能材料： 水作为一种基本的分子，其固态形式的变化也可能带来意想不到的材料科学应用。例如，某些无定型冰的介电性能或机械性能可能与晶体冰不同，或许能在特定领域找到应用。
研究基础： 对无定型冰的研究，也在加深我们对“水”这种神奇物质本质的理解，这本身就具有巨大的科学价值，并可能为新材料的发现提供理论基础。
4. 基础科学研究：
理解水的特性： 冰有多种晶型和无定型形式，这反映了水分子之间氢键网络的复杂性。研究无定型冰有助于科学家们更深入地理解水的相变、氢键动力学以及液态水和固态水之间的过渡机制。这对于理解生命过程（如水在生物体内的作用）、地球气候变化、以及宇宙中水的存在和演化都至关重要。
探索极端条件下的物质行为： 无定型冰的制备往往涉及极高的冷却速率或极高的压力，这本身就是探索物质在极端条件下行为的窗口。
目前的挑战和未来展望：
尽管前景广阔，但要实现无定型冰的广泛应用，仍有许多挑战需要克服：
规模化制备： 目前实验室制备无定型冰的效率和规模都有限，如何实现大规模、低成本的生产是关键。
稳定性： 无定型冰通常不如晶体冰稳定，在高于其玻璃化转变温度或在特定环境下容易发生转变。如何提高其稳定性是另一个重要课题。
复苏过程： 对于生物医学应用，如何将无定型冰状态的生物样品安全、有效地“解冻”并恢复其活性，也需要精细的控制和技术。
总而言之，实验室中制备无定型冰并非科幻小说中的情节，而是正在进行的、并且已经取得一定进展的科学研究。它的成功制备，不仅是对水这种生命之源基础性质的深刻探索，也为生物医学、食品科学乃至更广泛的领域带来了革命性的潜在应用。随着技术的不断进步，我们或许真的能迎来一个由“冰玻璃”构建的全新时代。
网友意见
二十世纪，人们在实验室早已制得多种无定形冰。
- 无定形冰可用于科学实验，例如以冷冻电子显微镜观测生物分子时，无定形冰不会像冰晶那样影响生物分子的状态。
- 在天文观测中经常发现低密度无定形冰的信号。
- 使用抗冰剂的电子束光刻技术经常与低密度无定形冰打交道。
- 人体冷冻亦可利用低密度无定形冰减少冰晶对细胞的破坏，尽管目前还没有唤醒的方法。
低密度无定形冰可由水蒸气分子缓慢沉积在光滑的、温度约 120 开尔文的金属晶体表面上形成。在太空，水分子以类似的方式在灰尘颗粒等寒冷的表面上形成低密度无定形冰。
超淬火玻璃态水可将小水滴喷入约 80 开尔文的丙烷等液体中形成，亦可朝液氮温度（约 77 开尔文）下的样品架喷射微米级水滴而成。
高密度无定形冰可在低于约 140 开尔文的温度下压缩天然冰形成。在液氮温度下以约 1.6 GPa 压缩天然冰或以约 0.5GPa 压缩低密度无定形冰，都能形成高密度无定形冰。在液氮温度下，高密度无定形冰压出来后即可在常压环境长期存在。亦有学者认为这只是快速压缩造成的暂时假象[1]。
超高密度无定形冰于 1996 年由三岛修发现，他观察到高密度无定形冰在 1 到 2 GPa 之间的压力下加热到 160 开尔文时密度增大。
可以看看上个世纪的论文：
Mishima, O., Calvert, L. & Whalley, E. ‘Melting ice’ I at 77 K and 10 kbar: a new method of making amorphous solids. Nature 310,393–395 (1984). https://doi.org/10.1038/310393a0
Jenniskens P, Blake DF. Structural transitions in amorphous water ice and astrophysical implications. Science. 1994 Aug 5;265:753-6. doi: 10.1126/science.11539186. PMID: 11539186.
参考
- ^ Chris A. Tulk, Jamie J. Molaison, Adam R. Makhluf, Craig E. Manning & Dennis D. Klug. Absence of amorphous forms when ice is compressed at low temperature. Nature, 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1204-5 https://www.nature.com/articles/s41586-019-1204-5#article-info
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