让人头大的解冻
生活中我们常用微波炉来解冻食物,但总是出现表层已经解冻完全但是里层的冰却还纹丝不动的情况。
这是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,一个广受关注的问题是从升温过程中的冰再结晶。生物学中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。这导致很多珍贵的生物样本解冻后损坏,让人扼腕叹息。
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,这是一个完全受调控的过程,这为可控的尤其是微观的解冻提供了可靠的思路和工具。
经典反应—扩散模型
解冻的过程实际上是在给予冰和水一定能量。人们发现,在冰水混合物中给予能量后,往往可以自发排列从而形成某些有规率的图案。科学家们为了量化这个形成过程提出了许多建模理论,最经典的理论是英国数学家、逻辑学家图灵建立的反应—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。
逆雪花(图片来源:An Experimental Analysis of Tyndall Figures, Peter Harvey, NERC Research Experience Placement,2013 )
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