【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。北京理工大学的研究团队通过精确控制冰冻过程，成功将文字信息“写”入冰中，并通过拍照和算法读取。这一技术不仅为极地或外星等极端(duān)环(huán)境(jìng)下(xià)的(de)信(xìn)息(xi)存(cún)储(chǔ)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)思(sī)路，还(hái)可(kě)能(néng)在(zài)冰(bīng)雕(diāo)艺(yì)术(shù)、金(jīn)属(shǔ)加(jiā)工(gōng)乃(nǎi)至(zhì)生(shēng)物(wù)医(yī)药(yào)等(děng)领(lǐng)域展(zhǎn)现(xiàn)出(chū)跨(kuà)界(jiè)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)。让(ràng)我(wǒ)们(men)一(yī)同(tóng)探(tàn)索(suǒ)这(zhè)项(xiàng)回(huí)归(guī)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气泡，重建出气候变化的历史轨迹。
但如果说这些(xiē)自(zì)然(rán)形(xíng)成(chéng)的(de)气(qì)泡(pào)是(shì)在(zài)“被(bèi)动(dòng)地(de)记(jì)录(lù)”，那(nà)有(yǒu)没(méi)有(yǒu)可(kě)能(néng)，我(wǒ)们(men)主动(dòng)去(qù)“写(xiě)”点(diǎn)什(shén)么(me)进(jìn)去(qù)？比(bǐ)如(rú)，在(zài)一(yī)块(kuài)人(rén)造(zào)冰(bīng)中(zhōng)，用(yòng)气(qì)泡(pào)来(lái)编(biān)码(mǎ)信(xìn)息(xi)、储(chǔ)存(cún)数(shù)据(jù)，甚(shén)至(zhì)让(ràng)冰(bīng)块(kuài)变(biàn)成(chéng)可(kě)以(yǐ)读(dú)出来的媒介？
冰块储存(cún)信(xìn)息(xi)示(shì)意(yì)图(tú)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：作(zuò)者(zhě)使(shǐ)用(yòng)AI生(shēng)成(chéng)）
听(tīng)上(shàng)去(qù)很(hěn)不(bù)可(kě)思(sī)议(yì)，但(dàn)北(běi)京(jīng)理(lǐ)工(gōng)大(dà)学(xué)的(de)一(yī)组(zǔ)研(yán)究(jiū)者(zhě)正(zhèng)是(shì)这(zhè)样(yàng)做(zuò)的(de)。他(tā)们(men)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)种(zhǒng)新(xīn)颖(yǐng)的(de)信(xìn)息(xi)存储方式，通过控制冰冻过程中形成的气泡形态与分布，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(men)发(fā)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、材料控制、甚至极地通信的深远构想。
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(cháng)不(bù)便(biàn)，甚(shén)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，在这些环境中，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制的技术，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(jīn)属(shǔ)加(jiā)工(gōng)行(xíng)业(yè)。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(gōng)参(cān)考(kǎo)。
而(ér)在(zài)生(shēng)物(wù)和食品领域，这项技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(yǎng)，这(zhè)一(yī)特(tè)性(xìng)正(zhèng)被(bèi)探(tàn)索(suǒ)用(yòng)于(yú)冷(lěng)藏(cáng)海(hǎi)鲜(xiān)、水(shuǐ)果(guǒ)等(děng)食(shí)品(pǐn)的(de)杀(shā)菌(jūn)保(bǎo)鲜(xiān)。更(gèng)进(jìn)一(yī)步(bù)，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。
总结
在人工智能、量子芯片和卫星通信主导信息技术版图的今天，科学家却回到最简单的物质——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 evalsuation 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(zuò)者(zhě)丨(gǔn)Denovo科(kē)普(pǔ)团(tuán)队(duì)（杨(yáng)超(chāo) 博(bó)士(shì)、中(zhōng)国(guó)科(kē)普(pǔ)作(zuò)家(jiā)协(xié)会(huì)会(huì)员(yuán)、广(guǎng)东(dōng)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
