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永不凍結的水

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科技產業資訊室 - 謝威翔 發表於 2019年4月26日

圖、永不凍結的水

冰塊的結構是水分子排列成規則的立體晶格結構,而液態的水分子則無排列規則,這是造成水可以流動的原因。製作冰塊的過程十分簡單,只要將水放置在低溫的冰箱中,不久後結晶即會形成。瑞士蘇黎世聯邦理工學院和蘇黎世大學的研究團隊已確定了一種防止水形成冰晶的特殊方法,因此即使在極低的溫度下也能保持不定型的特性,本研究發表在Nature Nanotechnology期刊上。
 
研究人員設計並合成了一類新的脂質,在這種材料中,脂質會自組裝並聚集形成膜,類似天然脂肪分子,這些膜均勻排列形成直徑小於1奈米的網狀,此時溫度、水含量以及脂質分子決定了此中間相的結構。這種結構的特別之處在於狹窄的通道中沒有空間讓水形成冰晶,因此即使在極低的溫度下分子也會保持混亂。接著研究人員使用液態氦,將此物質的溫度低至攝氏零下263度,僅比絕對零溫度高10度,此次質仍然不會形成冰晶。在這個溫度下,水變得玻璃狀(Glassy)。
 
成功的關鍵因素是脂質與水的比例,混合物中的水含量決定了幾何形狀以及其溫度。例如,如果混合物含有12%體積的水,則中間相的結構將在約攝氏零下15度時從立方網狀轉變為層狀結構。這些脂質的合成和純化十分困難,因為脂質分子分為兩部分,是疏水與親水的,使他們非常難以控制。
 
研究人員在某些細菌膜上模擬了這類脂質,這些細菌產生了特殊的自組裝脂質,可以自然地將水限制在其內部,使微生物能夠在非常寒冷的環境中存活。這種脂質的新穎性是將高度應變的三元環引入分子疏水部分的特定位置,產生微小的水通道,防止脂質結晶。
 
這種新型物質可用於任何需要防止水凍結的應用情境,但目前最主要是作為生物研究工具,可將生物膜模非破壞性地分離,保存和研究生物分子,因為在正常的冷凍過程中,冰晶形成時通常會破壞關鍵的大型生物分子,而此種方法則可以完整地保留結構以利觀察。(725字;圖1)


參考資料:
Water that never freezes. ETH Zurich,2019/4/10
Soft biomimetic nanoconfinement promotes amorphous water over ice. Nature Nanotechnology,2019/4/8


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