研究人员首次实时观测到水在极低温下不结冰而凝固成玻璃态的过程，揭示了其分子运动机制与潜在应用价值。
水覆盖了地球约70%的表面，占人体质量的60%左右，但这种日常生活中最常见的物质至今仍包含许多科学未解之谜。
在低温环境下，水通常会结晶形成结构严密且排列整齐的冰。不过在特定条件下，水还会变成一种分子结构混乱无序的固态形态，也就是玻璃态水。这种特殊的无定形水存在于极地平流层云层中，也能帮助耐寒生物在极寒环境中避免冰晶破坏细胞结构。
通常情况下，水在降温至约零下45℃时就会结冰。低于这一温度的区域被科学家称为热力学上的无人区。此前学术界推测，大块水发生玻璃态转变的温度大约在零下135℃左右，但由于水在此之前极易迅速结晶成冰，这一转变过程长期无法被直接观察到。
为了破解这一难题，由苏黎世联邦理工学院的Raffaele Mezzenga领衔的研究团队，联合澳大利亚核科学与技术组织(ANSTO)的科研人员，采取了模仿自然的巧妙策略。他们在2026年发表于《Nature Communications》的研究中，将厚度仅数个分子层、不足1纳米的水分子夹在两层由植基三醇组成的脂质层之间。植基三醇是一种特殊的脂肪醇，在极低温度下依然能够保持结构稳定和流动性。
通过这种方式，水分子在温度下降时被限制了结晶过程。研究人员得以利用同步辐射光源产生的高亮度X射线以及小角与广角X射线散射技术，精确记录水从液体向玻璃态转变的整个过程。同时，团队还使用了澳大利亚中子散射中心的Emu光谱仪和Pelican光谱仪来捕捉氢分子的振动与运动轨迹。ANSTO的科学家Alice Klapproth指出，中子散射信号主要由水中氢分子的运动主导，这使研究团队能够精准测量被限制在微观介质中的水分子动态。
观测结果表明，水发生玻璃态转变的温度区间远比此前预想的更高且更宽。在零下63℃至零下20℃的宽广温度范围内，受限分子的运动速度明显减缓。特别是当温度降至零下35℃至零下21℃时，水分子的动力学行为发生了剧烈变化，分子运动显著变得迟缓。而在零下74℃至零下64℃之间，水分子最终锁定在无序的固态玻璃结构中。当温度进一步降低时，这种玻璃态结构会像冰冻的脆糖块一样，产生宏观与微观层面的裂纹。
这项研究不仅揭示了水的微观物理特性，还具有广泛的实用价值。研究团队指出，这一发现对于涉及低温微观受限水的所有物理现象都有直接参考意义，例如生物材料的低温保存以及食品的深度冷冻等领域。
原文：https://www.sciencealert.com/scientists-witness-water-transforming-into-a-weird-glass-instead-of-ice