冰与水之歌

让人头大的解冻

生活中我们常用微波炉来解冻食物,但总是出现表层已经解冻完全但是里层的冰却还纹丝不动的情况。

 

这是由于水分子在冰中的位置固定,微波加热冰的速度比水慢得多。在微波辐射区域,水的吸收系数比冰的吸收系数高1000倍,这导致液体部分过热而冷冻部分无法继续解冻。目前是利用微波炉中的除霜作用解决上述问题,即微波功率开启和关闭以允许热扩散。

在低温保存中,一个广受关注的问题是从升温过程中的冰再结晶。生物学中细胞膜因为冰晶的生长而机械损伤,或者由于细胞外冰引起的渗透压,导致细胞脱水。这导致很多珍贵的生物样本解冻后损坏,让人扼腕叹息。

最近,研究人员发现由近红外辐射可以引起新的冰水结构形成。给予溶液中特殊的光照,可以在特定区域中形成动态孔和微通道迷宫,这是一个完全受调控的过程,这为可控的尤其是微观的解冻提供了可靠的思路和工具。

经典反应—扩散模型

解冻的过程实际上是在给予冰和水一定能量。人们发现,在冰水混合物中给予能量后,往往可以自发排列从而形成某些有规率的图案。科学家们为了量化这个形成过程提出了许多建模理论,最经典的理论是英国数学家、逻辑学家图灵建立的反应—扩散模型(the reaction-diffusion model,RD model),该模型为系统可以自发地形成空间图案提供了理论模式。

该模型模拟了氢在晶格中的扩散(图片来自网络)

图灵定义了两种物质:激活剂和抑制剂,它们相互反应并通过组分不停地扩散。除了上述的冰水模式外,反应扩散理论应用范围广泛,比较经典的有胚胎发育中细胞的增殖分化,包括生态入侵,流行病的传播,伤口愈合,干燥环境中的植被模式,动物的皮肤颜色等都可以利用其进行解读。

干燥环境中的植被模式(图片来源: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.)

 

 

生物皮肤上的图案(图片来源: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

常见冰晶体形成主要是晶体的树枝状生长。

冰晶的树枝状生长(图片来自网络)

基于上述经典反应-扩散模型,人们发现并很好的解释了常见的冰水模型。在过冷水或者过饱和蒸汽中,冰晶树枝状生长产生雪花的形状。另外一种产生树枝状图案的现象是大块冰在红外辐射下,冰内部过热熔化产生水腔,水腔的形状类似于过冷水中冰晶的形状,因此也被称为“逆雪花(inverse snowflakes)”。人们也使用了近红外辐射加热冰,利用不同的红外功率,可以在冰中产生尺寸受控的通道,而这项技术有望使用在为传统的微流通道创建模板。

逆雪花(图片来源:An Experimental Analysis of Tyndall Figures, Peter Harvey, NERC Research Experience Placement,2013 )

全新的冰水迷宫

科研人员发现了一种新的冰水模式:在均匀的近红外辐照下,溶液中的薄冰晶暴露于该辐射时,产生了新的模式,即孔和微通道的动态迷宫。

 

 

实验者在-25℃下使用1540nm激光照射10%蔗糖溶液中薄层冰晶。在该波长下,冰的吸收系数是水的吸收系数的三倍。冰的生成和熔化改变了溶液浓度,这影响了熔化温度。当溶液受到照射时,孔会周期性地出现并消失。冰变薄,同时出现圆形边界,一旦薄层破裂,冰迅速融化形成孔,孔保持关闭或重复打开和关闭循环。在较薄的冰通道中形成的孔,可以与相邻的孔合并形成开放的溶液通道。

1540nm激光照射在其他条件下可以形成不同图案。

捣乱的墨水

这种模式是由于冰和溶液的能量吸收不同而产生的。因此,如果冰和水的吸收相同,则不会形成图案。研究者在蔗糖溶液中加入黑色墨水颗粒(吸收可见光和红外波长的炭黑颗粒悬浮液)。在10%蔗糖中的0.4%油墨。油墨抑制了图案形成,0.4%的油墨中冰晶只形成了几个孔。

而使用更高浓度的油墨,即10%蔗糖中10%油墨进行的实验,其中溶液吸收系数比冰的吸收系数高7倍,迷宫图案又重新出现啦。

除了在文章最前提出的冰选择性近红外辐照可以为日常食物解冻和冷冻生物样本提供改进和受控的解冻过程外,这项酷炫的技术还可以应用在食品工程中将微量级的成分(例如溶质和胶体)嵌入冰中;而在冷冻食品工业中,采用冰选择性辐射可以避免在加热期间重结晶(不受控制的冰晶)的形成。

当然,加热能量不限于红外也可以用激光照明或白炽灯泡,例如卤素照明。

如此酷炫的冰水迷宫,大家觉得还会有什么酷炫的运用呢?

来源:中国科学院半导体研究所

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