冰與水之歌_風聞

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讓人頭大的解凍

生活中我們常用微波爐來解凍食物，但總是出現表層已經解凍完全但是裏層的冰卻還紋絲不動的情況。

這是由於水分子在冰中的位置固定，微波加熱冰的速度比水慢得多。在微波輻射區域，水的吸收係數比冰的吸收係數高1000倍，這導致液體部分過熱而冷凍部分無法繼續解凍。目前是利用微波爐中的除霜作用解決上述問題，即微波功率開啓和關閉以允許熱擴散。

在低温保存中，一個廣受關注的問題是從升温過程中的冰再結晶。生物學中細胞膜因為冰晶的生長而機械損傷，或者由於細胞外冰引起的滲透壓，導致細胞脱水。這導致很多珍貴的生物樣本解凍後損壞，讓人扼腕嘆息。

最近，研究人員發現由近紅外輻射可以引起新的冰水結構形成。給予溶液中特殊的光照，可以在特定區域中形成動態孔和微通道迷宮，這是一個完全受調控的過程，這為可控的尤其是微觀的解凍提供了可靠的思路和工具。

經典反應—擴散模型

解凍的過程實際上是在給予冰和水一定能量。人們發現，在冰水混合物中給予能量後，往往可以自發排列從而形成某些有規率的圖案。科學家們為了量化這個形成過程提出了許多建模理論，最經典的理論是英國數學家、邏輯學家圖靈建立的反應—擴散模型（the reaction-diffusion model，RD model），該模型為系統可以自發地形成空間圖案提供了理論模式。

該模型模擬了氫在晶格中的擴散（圖片來自網絡）

圖靈定義了兩種物質：激活劑和抑制劑，它們相互反應並通過組分不停地擴散。除了上述的冰水模式外，反應擴散理論應用範圍廣泛，比較經典的有胚胎髮育中細胞的增殖分化，包括生態入侵，流行病的傳播，傷口癒合，乾燥環境中的植被模式，動物的皮膚顏色等都可以利用其進行解讀。

乾燥環境中的植被模式（圖片來源：Yizhaq, H.,Sela, S., Svoray, T., Assouline, S., & Bel, G. (2014). Effects ofheterogeneous soil‐water diffusivity on vegetation pattern formation. WaterResources Research, 50(7), 5743-5758.）

生物皮膚上的圖案（圖片來源：Kondo, S., &Miura, T. (2010). Reaction-diffusion model as a framework for understandingbiological pattern formation. science, 329(5999),1616-1620.）

已知冰水模式

常見冰晶體形成主要是晶體的樹枝狀生長。

冰晶的樹枝狀生長（圖片來自網絡）

基於上述經典反應-擴散模型，人們發現並很好的解釋了常見的冰水模型。在過冷水或者過飽和蒸汽中，冰晶樹枝狀生長產生雪花的形狀。另外一種產生樹枝狀圖案的現象是大塊冰在紅外輻射下，冰內部過熱熔化產生水腔，水腔的形狀類似於過冷水中冰晶的形狀，因此也被稱為“逆雪花（inverse snowflakes）”。人們也使用了近紅外輻射加熱冰，利用不同的紅外功率，可以在冰中產生尺寸受控的通道，而這項技術有望使用在為傳統的微流通道創建模板。

逆雪花（圖片來源：An Experimental Analysis of Tyndall Figures, Peter Harvey, NERC Research Experience Placement,2013 ）

全新的冰水迷宮

科研人員發現了一種新的冰水模式：在均勻的近紅外輻照下，溶液中的薄冰晶暴露於該輻射時，產生了新的模式，即孔和微通道的動態迷宮。

實驗者在-25℃下使用1540nm激光照射10%蔗糖溶液中薄層冰晶。在該波長下，冰的吸收係數是水的吸收係數的三倍。冰的生成和熔化改變了溶液濃度，這影響了熔化温度。當溶液受到照射時，孔會週期性地出現並消失。冰變薄，同時出現圓形邊界，一旦薄層破裂，冰迅速融化形成孔，孔保持關閉或重複打開和關閉循環。在較薄的冰通道中形成的孔，可以與相鄰的孔合併形成開放的溶液通道。

1540nm激光照射在其他條件下可以形成不同圖案。

搗亂的墨水

這種模式是由於冰和溶液的能量吸收不同而產生的。因此，如果冰和水的吸收相同，則不會形成圖案。研究者在蔗糖溶液中加入黑色墨水顆粒(吸收可見光和紅外波長的炭黑顆粒懸浮液）。在10％蔗糖中的0.4％油墨。油墨抑制了圖案形成，0.4%的油墨中冰晶只形成了幾個孔。

而使用更高濃度的油墨，即10％蔗糖中10％油墨進行的實驗，其中溶液吸收係數比冰的吸收係數高7倍，迷宮圖案又重新出現啦。

除了在文章最前提出的冰選擇性近紅外輻照可以為日常食物解凍和冷凍生物樣本提供改進和受控的解凍過程外，這項酷炫的技術還可以應用在食品工程中將微量級的成分（例如溶質和膠體）嵌入冰中；而在冷凍食品工業中，採用冰選擇性輻射可以避免在加熱期間重結晶（不受控制的冰晶）的形成。

當然，加熱能量不限於紅外也可以用激光照明或白熾燈泡，例如鹵素照明。

如此酷炫的冰水迷宮，大家覺得還會有什麼酷炫的運用呢？

來源：中國科學院半導體研究所