红外光能改变水分子的结构吗？
在低温环境下，水汽会在空中凝华形成各种各样的雪花（图片来源：pixabay）
在科研领域，实验人员会希望拥有一种新的技术，能够对于保存在冰中的生物标本进行精密解冻。很多情况下，他们总担心在解冻过程中，由于不够细致的操作，会导致整个生物标本出现无法挽回的损坏。如果新技术能够以一种便捷、高效、准确的方式对冰块进行处理，那么这些问题也就迎刃而解。
受到雪花形成原理的启发，科学家认为，也许某些外界条件能够改变水分子的排列结构。我们知道，在低温环境下，水汽会在空中凝华形成各种各样的雪花。这些结晶体大多是六角形，具体的结构会因为温度等因素的不同而出现不同的变化。类似地，特殊频率的光照或许也能起到改变水分子结构的作用。
最近，来自以色列耶路撒冷希伯来大学的物理学家希望利用红外光构建一种特殊的水分子结构。这项研究的结果已经发表在《科学·进展》杂志上。研究人员发现，在冰水混合物中，冰比水吸收到更多热量的时候，就会产生奇妙的现象，水分子会形成一种迷宫状的结构。在特殊频率光照的选择中，由于冰晶相对于液态水更容易吸收红外光，因此红外光正是此次实验中改变水分子结构的主要工具。
红外光所产生的热量会在冰晶中形成孔洞（图片来源：参考文献）
蔗糖可以减缓水分子的运动，使得之后的变化更容易被观察到。于是，研究人员将糖水放置在冰晶和水可以共存的温度条件下，糖水中加入13微米厚的冰晶，然后通过红外光对其进行照射，整个过程保持恒温。当调节红外光到合适的频率后，冰晶就会吸收一部分红外光，吸收的程度大约要比水多出三倍。红外光所产生的热量会在冰晶中形成孔洞，如同雕刻一般绘出具体的图案。经过一个小时左右，当这些孔洞相互连通后，冰晶内部就出现了类似于迷宫的形状。而根据照射条件的不同，水分子内也形成了各式各样不同的“迷宫”。
研究人员紧接着通过不同浓度的糖水，来测试可能影响迷宫形状出现的几个因素。另一方面，他们还通过加入不同份量的墨水，进一步对各个结果进行比较。实验现象表明，纯水环境下或是加入低浓度的墨水都会阻碍上述“迷宫”现象的产生。最终，研究人员得出结论，冰和水对红外光的差异吸收正是水分子结构发生改变、形成不同迷宫图案的原因。
红外光的波长比微波更短，其作用的对象则主要是冰，而不是水（图片来源：pixabay）
通过这项研究发现，人们可以创造出完全不亚于雪花多样性的观赏性成果。利用不同的环境条件，实验室可以设计和制造出各式各样的“水迷宫”。并且，这项研究也正好提供了一套精密解冻的方案。利用红外光照射形成孔洞，能够尽量避免传统解冻过程中可能对生物标本本身造成的损坏。
这种技术的优势可以与我们日常生活中常见的微波解冻进行比较。微波解冻是作用在水本身上面的机制，通过让水分子之间相互碰撞、摩擦生热来达到解冻的目的；而红外光的波长比微波更短，其作用的对象则主要是冰，而不是水。这种技术作为解冻就如同抽丝剥茧一样，能更加完整地取出冰冻物。
新的发现总会为我们带来新的可能性，或许未来这项技术还会有更多意想不到的应用。
原创稿件
制作 叶鹏飞
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
参考文献：Preis, S., 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, eaav1598.
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