奇了!这种水竟可永不结冰

科技工作者之家 2019-04-12

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新型脂质中间相的三维模型,立方基序会在材料中规律性重复出现。

冰块的制作过程很简单,在塑料托盘中装满水,放进冰箱,过一段时间水就会结冰。分析冰的结构你会发现,水分子是以规则的三维晶格结构排列的。而在液态水中,水分子是无序的,这也是水会流动的原因。

sciencedaily.com网站4月10日报道,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和苏黎世大学(UZ)的Raffaele Mezzenga教授和Ehud Landau教授领导的研究团队发现,可以通过一种“神奇”的方法阻止水形成冰晶:即便在极低的温度下,水仍然具有液体的非晶态特征。相关成果发表于《自然•纳米技术》杂志中。

首先,研究人员设计并合成了一种脂类物质,该物质是一种新的“软”生物质,即脂质中间相。在这种材料中,脂质会自发组装和聚集成膜,并表现出与天然脂肪分子相似的性质。随后,研究人员将脂质薄膜按统一的排列方式,构筑为一个含微型连接通道(直径小于1纳米)的立体网络。温度、含水量和脂质分子结构都会对中间相的结构产生影响。

中间相结构的特别之处在于,其狭窄的连接通道没有足够的空间让水形成冰晶。因此即便在极低的温度之下,水也能保持无序态。此外,脂质本身也不会冻结。实验中,研究人员利用液氦将中间相冷却到零下263摄氏度,仍然没有发现冰晶的形成。ETH Zurich食品与软材料实验室研究人员Mezzenga教授解释说:“影响结构性质的关键因素是脂质与水的比例。含水量决定了中间相形状变化的温度。例如,当含水量为12%时,中间相的结构将在零下15摄氏度时由‘立方迷宫’变成层状结构。”

UZ化学系教授Landau表示:“受合成方法和纯化过程限制,这类脂质的制备非常困难。脂质分子中含有的疏水部分和亲水部分难以共存。”研究人员还尝试在某些细菌的细胞膜上构建了这种新的脂质——细菌产生的特殊自组装脂质,可以将水限制在细胞内部,使其在极其寒冷的环境中生存下来。Landau说:“我们制备的脂质的奇特之处在于,在分子的疏水部分引入高张力的三元环,由此而成的微小通道可以防止脂质结晶。”

新脂质中间相有望成为研究人员的“好帮手”。它们可以用于非破坏性分离、生物分子保存和研究等。Mezzenga教授说:“在冷冻过程中,冰晶的形成通常会破坏细胞膜和生物大分子,这使研究人员无法确定它们与脂质膜相互作用时的情况。新脂质中间相是无损的,它能保持分子的原始状态。”

科界原创 

编译:雷鑫宇 

审稿:alone  

责编:唐林芳 

期刊来源:《自然•纳米技术》

期刊编号:1748-3387 

原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190410114117.htm

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