冰晶迷宫的生长你见过吗？
常见冰晶体形成主要是晶体的树枝状生长。
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冰晶的树枝状生长
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。
一个系统中的组织可以自发排列从而形成某些有规率的图案。最经典的理论是图灵（Alan Turing计算科学之父）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。
图片来源：http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/HydrogenDiffusion3D
该模型模拟了氢在晶格中的扩散
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细胞或组织不同地扩散。比较经典的是胚胎发育中细胞的增殖分化，还有一些常见的例子比如在干燥环境中的植被模式，动物的皮肤颜色等。
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.
这个研究基于全新的描述图案形成的理论，发现了一种前所未有的冰水模式。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。
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。
除了发现迷宫冰模形成之外，这项研究结果还可以运用到其他领域。
在食品工程中，可以将微量级的成分（例如溶质和胶体）嵌入冰中。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。
另外生活中微波炉通常用于解冻食物，但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，一个关键问题是从升温过程中的冰再结晶。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。
冰选择性近红外辐照都可以为以上两种情况提供受控和改进的解冻过程。
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。
参考文献：
Preis, S. G., Chayet, H.,Katz, A., Yashunsky, V., Kaner, A., Ullman, S., & Braslavsky, I. (2019).Labyrinth ice pattern formation induced by near-infrared irradiation. Science Advances, 5(3), eaav1598.
P. K. Maini, K. J. Painter, H. Nguyen Phong Chau, Spatial pattern formation in chemical and biological systems. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 93, 3601–3610 (1997).
A. M. Turing, The chemical basis of morphogenesis. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci.237, 37–72 (1952).
S. Kondo, T. Miura, Reaction-diffusion model as a framework for understanding biological pattern formation. Science 329, 1616–1620 (2010).
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