科学家受冰层气泡启发，利用气泡在冰中“写字”

【导语】在人类尚未掌握记录工具之时，大自然已悄然用冰中的微小气泡记录下地球的历史。如今，科学家们灵感迸发，借鉴自然的这一手法，提出了一个创新的信息存储方式——在冰块中利用气泡编码信息。北京理工(gōng)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)通(tōng)过(guò)精(jīng)确(què)控(kòng)制(zhì)冰(bīng)冻(dòng)过(guò)程(chéng)，成(chéng)功(gōng)将(jiāng)文字(zì)信(xìn)息(xi)“写(xiě)”入(rù)冰(bīng)中(zhōng)，并(bìng)通(tōng)过(guò)拍(pāi)照(zhào)和(hé)算(suàn)法(fǎ)读(dú)取(qǔ)。这(zhè)一(yī)技(jì)术(shù)不(bù)仅(jǐn)为(wèi)极(jí)地(de)或(huò)外(wài)星(xīng)等(děng)极(jí)端(duān)环(huán)境(jìng)下(xià)的(de)信(xìn)息存储提供了新思路，还可能在冰雕艺术、金属加工乃至生物医药等领域展现出跨界应用潜力。让我们一同探索这项回归自然、极简而富有创意的信息存储技术。

在人类尚未发明记录工具之前，大自然早已默默记下了地球的故事。那些被深埋在南(nán)极冰盖或格陵兰冰川中的微小气泡，就像时间的胶囊，封存着数万年前的空气。气候学家靠着这些冰芯中捕获的(de)气泡，重建出气候变化的历史轨迹。

但如果说这些自然形成的气泡是在“被动地记录”，那有没有可能，我们主动去“写”点什么进去？比如，在一块人造冰中，用气泡来编码信息、储存数据，甚至让冰块变成可以读出来的媒介？

冰块储存信息示意图（图片来源：作者(zhě)使用AI生成）

听上去很不可思议，但北京理工大学的一组研究者正是这样做的。他们提出了一种新颖的信息存储方式，通过控制冰冻过程中形成的气泡形(xíng)态(tài)与(yǔ)分(fēn)布，把文字信息“写进”冰里，而读取这些信息，只需要拍一张照片和相应的算法。

教会冰块“写字”，从控制气泡形状开始

在冰的形成过程中，溶解在水里的空气会随着温度下降而被排挤出来，形成一个个微小的气泡，这些气泡没有去处，只能被卡在冰层中，成为透明晶体中的白色斑点。

北京理工大学的研究团队正是从这里出发，试图了解这些气泡。他们发现，气泡的形状并不是随机的，而是与冰冻的速度高度相关。冻结得越快，气泡越圆；冻结得越慢，气泡越细长，像一根小针。这两种气泡分别被称为“蛋形泡”（ESB）和“针形泡”（NSB），它们的命名是以高度与宽度比值为判断标准的，超过5的是针形，低于5的是蛋形。

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冰中不同气泡的形成过程（图片来源：参考文献[1]）

为了控制气泡的形成，研究人员设计了一个定制化制冰机，以一块铜板作为冷源，放置在两块透明板之间构成的“赫勒-肖单元”（Hele-Shaw cell）内，注入预先充满空气的纯水。他们用精密程序控制铜板的温度升降，从而调节冰面前端的冻结速度。每当温度骤降、冻结速度陡升时，冰层中就会形成一组新的气泡带，像是在冰里打下的一行行的标签。

Hele-Shaw 单元用于冻结实验的半剖面图及冰泡图（图片来源：参考文献[1]）

通过一次次调控，他们得以在冰块中雕刻出由气泡组成的不同图案层，甚至可以按照摩斯密码或二进制系统进行编码。比如，一个蛋形泡代表短音，一个针形泡代表长音。或者，泡泡代表1，清冰代表0。这样，冰块中不同形态和位置的气泡就变成了信息的载体，而不仅仅是自然副产物。

而最令人惊喜的是，读取这些信息并不需要激光显微镜或复杂探针——只需用相机拍一张照片，再用软件分析灰度图像中泡泡的位置和形态，就能解码出最初输入的信息。比如，“01001”可能就代表了一个字母，“长-短-短”代表了摩斯电码中的A。

气泡编码信息传递流程图（图片来源：参考文献[1]）

这听起来像是在给冰块装上硬盘，但它不需要电，不依赖芯片，也不怕磁场干扰，只要你能保持它的低温状态，它就能安安静静地保存你留下的信息。

这项技术究竟能做什么？

乍看之下，把气泡编码进冰里似乎更像是一场理工科的科学美术展，似乎有些鸡肋。但事实上，这套方法背后藏着对未来信息存储、材料(liào)控(kòng)制(zhì)、甚(shén)至(zhì)极(jí)地(de)通信的深远构想。

首先，这种冰中信息写入技术最直接的应用场景，正是那些不适合传统电子存储的低温极地或外星环境。在南极、月球、甚至火星这样资源匮乏、能源珍贵的环境中，依赖纸张、电池或磁介质来记录与传输信息非常不便，甚至根本不现实。而冰和空气这两种廉价原料，却几乎随处可见。研究者指出，在(zài)这(zhè)些(xiē)环(huán)境(jìng)中，这种无需电力、无需油墨的信息编码方式，不但能节省能源，还具备天然的隐蔽性。它不怕辐射，不怕腐蚀，也不容易被随手丢弃。

在火星通过冰储存信息示意图（图片来源：作者使用AI生成）

更令人着迷的是这项冰中气泡的精密控(kòng)制(zhì)的(de)技(jì)术，为许多工程难题提供了灵感。例如，研究团队发现，通过调节冻结速度形成周期性气泡层，不仅可以存储信息，还能在冰块中制造出天然断点，就像巧克力条上的分割线一样。这对冰雕艺术、冰结构建筑，甚至冷链运输中的智能易折冰块都具有潜在价值。

此外，这项研究还可能影响金属加工行业。金属在铸造过程中会形成气泡或空隙，这些缺陷往往决定了材料的强度和寿命。但因为金属不是透明的，内部不可见，科学家无法像观察冰一样看到气泡的形成与演化过程。而冰恰好提供了一个可视化模拟平台，通过控制气泡生长的条件，研究者可以间接研究金属中气泡的生成机制，从而为改进合金结构提供参考。

而在生物和食(shí)品(pǐn)领(lǐng)域，这(zhè)项(xiàng)技(jì)术同样展现出跨界能力。比如，先前已有研究表明，冰中的气泡可以用来封存臭氧，这一特性正被探索用于冷藏海鲜、水果等食品的杀菌保鲜。更进一步，科学家还设想，是否可以将某些药物气化后封存进冰泡中，作为慢释放载体应用于生物医药？气泡再一次，从空气残留物变成了潜在的功能性微结构。

总(zǒng)结(jié)

在(zài)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)、量(liàng)子(zi)芯(xīn)片(piàn)和(hé)卫(wèi)星(xīng)通(tōng)信(xìn)主导(dǎo)信(xìn)息(xi)技(jì)术(shù)版(bǎn)图(tú)的(de)今(jīn)天(tiān)，科(kē)学(xué)家(jiā)却(què)回(huí)到(dào)最简单的物质——水和空气。他们让冰说话，用气泡编码，在极寒中封存信息。这项技术的意义不仅在于它能不能替代硬盘或改善通讯，而在于它代表了一种回归材料本身、以物理过程承载信息的新思路。不借助高昂设备、不依赖复杂系统，只利用自然界本身的相变过程与几何特性，就能实现信息的编码、封存和读取。这种极简主义的科学实践，或许正是通往某些极端环境工程问题的理想答案。

参考文献：

[1] Shao, Keke, et al. "Manipulating trapped air bubbles in ice for message storage in cold regions." Cell Reports Physical Science 6.6 (2025).

[2] Deng, Hao, et al. "Preparation and evaluation of ozone micro-nano bubbles ice for Litchi precooling." Food Chemistry 472 (2025): 142945.

[3] Dombrovskii, Leonid Aleksandrovich. "The propagation of infrared radiation in a semitransparent liquid containing gas bubbles." High temperature 42 (2004): 146-153.

作者丨Denovo科普团队（杨超 博士、中国科普作家协会会员、广东省青年科技创新研究会会员）

审核丨孙克衍博士 中国矿业大学副教授