永不冻结的水是什么原理

制作冰块是一个简单的过程：你需要像大多数家庭中找到的塑料冰块托盘，用水填充并放入冰箱。不久，水结晶并变成冰。

如果你要分析冰晶的结构，你会发现水分子排列成规则的三维晶格结构。相反，在水中，分子是无组织的，这是水流动的原因。

玻璃水

苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的物理学家和化学家团队由Raffaele Mezzenga教授和Ehud Landau教授领导，现已确定了一种防止水形成冰晶的不寻常方法，因此即使在极低零度的温度下也能保持无定形特征。一种液体

在第一步中，研究人员设计并合成了一类新的脂质(脂肪分子)，以创造一种称为脂质中间相的新型“软”生物物质。在这种材料中，脂质自发地自组装并聚集形成膜，其表现方式与天然脂肪分子相似。然后，这些膜采用均匀排列，以形成直径小于1纳米的连接通道网络。温度和水含量以及设计的脂质分子的新结构决定了脂质中间相的结构。

没有水晶空间

这种结构的特别之处在于 - 与冰块托盘不同 - 在狭窄的通道中没有空间让水形成冰晶，因此即使在极低零度的温度下也会保持混乱。脂质也不会冻结。

使用液氦，研究人员能够将由化学改性的单酰基甘油组成的脂质中间相冷却至低至零下263摄氏度的温度，该温度仅比绝对零温度高10度，并且仍然没有形成冰晶。在这个温度下，水变得“玻璃状”，因为研究人员能够在模拟中证明和证实。他们在限制在脂质中间相中时对水的这种不寻常行为的研究最近发表在Nature Nanotechnology杂志上。

“关键因素是脂质与水的比例，”苏黎世联邦理工学院食品与软材料实验室的Raffaele Mezzenga教授解释道。因此，混合物中的水含量决定了中间相几何形状变化的温度。例如，如果混合物含有12%体积的水，则中间相的结构将在约零下15摄氏度从立方迷宫转变为层状结构。

用于细菌的天然防冻剂

“使这些脂质开发变得如此棘手的原因在于它们的合成和纯化，”苏黎世大学化学教授Ehud Landau说。他解释说这是因为脂质分子有两部分;一个是疏水的(排斥水)，另一个是亲水的(吸水)。“这使他们非常难以合作，”他说。

由脂质膜和水形成的柔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膜上模拟了新一类脂质。这些细菌还产生一类特殊的自组装脂质，可以自然地将水限制在其内部，使微生物能够在非常寒冷的环境中存活。

“我们的脂质的新颖性是将高度应变的三元环引入分子疏水部分的特定位置”，Landau说。“这些能够产生必要的曲率，从而产生如此微小的水通道，防止脂质结晶。”

用于研究的软物质

这些新的脂质中间相将主要作为其他研究人员的工具。它们可用于在膜模拟环境中非破坏性地分离，保存和研究大生物分子，例如通过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大型生物分子(如蛋白质或大分子复合物)的结构和功能。

“在正常的冷冻过程中，当冰晶形成时，它们通常会破坏和破坏膜和关键的大型生物分子，这阻止我们在与脂质膜相互作用时确定其结构和功能，”Mezzenga说。

但不是新的中间相，它是非破坏性的，并保留这些分子的原始状态，并存在生命的另一个关键组成部分，即脂质。“我们的研究为未来项目铺平了道路，以确定蛋白质如何以其原始形式保存，并在极低温度下与脂质膜相互作用，”ETH教授说。

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