【導語】在人類尚未掌握記錄工具之時，大自然已悄然用冰中的微小氣泡記錄下地球的曆史。如今，科學家們靈感迸發，借鑒自然的這一手法，提出了一個創新的信息存儲方式——在冰塊中利用氣泡編碼信息。北京理工大學的研究團隊通過精確控製冰凍過程，成功將文字信息“寫”入冰中，並通過拍照和算法讀取。這一技術不僅為極地或外星等極端(duān)環(huán)境(jìng)下(xià)的(de)信(xìn)息(xi)存(cún)儲(chǔ)提(tí)供(gōng)了(le)新(xīn)思(sī)路，還(hái)可(kě)能(néng)在(zài)冰(bīng)雕(diāo)藝(yì)術(shù)、金(jīn)屬(shǔ)加(jiā)工(gōng)乃(nǎi)至(zhì)生(shēng)物(wù)醫(yī)藥(yào)等(děng)領(lǐng)域展(zhǎn)現(xiàn)出(chū)跨(kuà)界(jiè)應(yīng)用(yòng)潛(qián)力(lì)。讓(ràng)我(wǒ)們(men)一(yī)同(tóng)探(tàn)索(suǒ)這(zhè)項(xiàng)回(huí)歸(guī)自然、極簡而富有創意的信息存儲技術。

在人類尚未發明記錄工具之前，大自然早已默默記下了地球的故事。那些被深埋在南極冰蓋或格陵蘭冰川中的微小氣泡，就像時間的膠囊，封存著數萬年前的空氣。氣候學家靠著這些冰芯中捕獲的氣泡，重建出氣候變化的曆史軌跡。

但如果說這些(xiē)自(zì)然(rán)形(xíng)成(chéng)的(de)氣(qì)泡(pào)是(shì)在(zài)“被(bèi)動(dòng)地(de)記(jì)錄(lù)”，那(nà)有(yǒu)沒(méi)有(yǒu)可(kě)能(néng)，我(wǒ)們(men)主動(dòng)去(qù)“寫(xiě)”點(diǎn)什(shén)麽(me)進(jìn)去(qù)？比(bǐ)如(rú)，在(zài)一(yī)塊(kuài)人(rén)造(zào)冰(bīng)中(zhōng)，用(yòng)氣(qì)泡(pào)來(lái)編(biān)碼(mǎ)信(xìn)息(xi)、儲(chǔ)存(cún)數(shù)據(jù)，甚(shén)至(zhì)讓(ràng)冰(bīng)塊(kuài)變(biàn)成(chéng)可(kě)以(yǐ)讀(dú)出來的媒介？

冰塊儲存(cún)信(xìn)息(xi)示(shì)意(yì)圖(tú)（圖(tú)片(piàn)來(lái)源(yuán)：作(zuò)者(zhě)使(shǐ)用(yòng)AI生(shēng)成(chéng)）

聽(tīng)上(shàng)去(qù)很(hěn)不(bù)可(kě)思(sī)議(yì)，但(dàn)北(běi)京(jīng)理(lǐ)工(gōng)大(dà)學(xué)的(de)一(yī)組(zǔ)研(yán)究(jiū)者(zhě)正(zhèng)是(shì)這(zhè)樣(yàng)做(zuò)的(de)。他(tā)們(men)提(tí)出(chū)了(le)一(yī)種(zhǒng)新(xīn)穎(yǐng)的(de)信(xìn)息(xi)存儲方式，通過控製冰凍過程中形成的氣泡形態與分布，把文字信息“寫進”冰裏，而讀取這些信息，隻需要拍一張照片和相應的算法。

教會冰塊“寫字”，從控製氣泡形狀開始

在冰的形成過程中，溶解在水裏的空氣會隨著溫度下降而被排擠出來，形成一個個微小的氣泡，這些氣泡沒有去處，隻能被卡在冰層中，成為透明晶體中的白色斑點。

北京理工大學的研究團隊正是從這裏出發，試圖了解這些氣泡。他們(men)發(fā)現，氣泡的形狀並不是隨機的，而是與冰凍的速度高度相關。凍結得越快，氣泡越圓；凍結得越慢，氣泡越細長，像一根小針。這兩種氣泡分別被稱為“蛋形泡”（ESB）和“針形泡”（NSB），它們的命名是以高度與寬度比值為判斷標準的，超過5的是針形，低於5的是蛋形。

此處插視頻

冰中不同氣泡的形成過程（圖片來源：參考文獻[1]）

為了控製氣泡的形成，研究人員設計了一個定製化製冰機，以一塊銅板作為冷源，放置在兩塊透明板之間構成的“赫勒-肖單元”（Hele-Shaw cell）內，注入預先充滿空氣的純水。他們用精密程序控製銅板的溫度升降，從而調節冰麵前端的凍結速度。每當溫度驟降、凍結速度陡升時，冰層中就會形成一組新的氣泡帶，像是在冰裏打下的一行行的標簽。

Hele-Shaw 單元用於凍結實驗的半剖麵圖及冰泡圖（圖片來源：參考文獻[1]）

通過一次次調控，他們得以在冰塊中雕刻出由氣泡組成的不同圖案層，甚至可以按照摩斯密碼或二進製係統進行編碼。比如，一個蛋形泡代表短音，一個針形泡代表長音。或者，泡泡代表1，清冰代表0。這樣，冰塊中不同形態和位置的氣泡就變成了信息的載體，而不僅僅是自然副產物。

而最令人驚喜的是，讀取這些信息並不需要激光顯微鏡或複雜探針——隻需用相機拍一張照片，再用軟件分析灰度圖像中泡泡的位置和形態，就能解碼出最初輸入的信息。比如，“01001”可能就代表了一個字母，“長-短-短”代表了摩斯電碼中的A。

氣泡編碼信息傳遞流程圖（圖片來源：參考文獻[1]）

這聽起來像是在給冰塊裝上硬盤，但它不需要電，不依賴芯片，也不怕磁場幹擾，隻要你能保持它的低溫狀態，它就能安安靜靜地保存你留下的信息。

這項技術究竟能做什麽？

乍看之下，把氣泡編碼進冰裏似乎更像是一場理工科的科學美術展，似乎有些雞肋。但事實上，這套方法背後藏著對未來信息存儲、材料控製、甚至極地通信的深遠構想。

首先，這種冰中信息寫入技術最直接的應用場景，正是那些不適合傳統電子存儲的低溫極地或外星環境。在南極、月球、甚至火星這樣資源匱乏、能源珍貴的環境中，依賴紙張、電池或磁介質來記錄與傳輸信息非常(cháng)不(bù)便(biàn)，甚(shén)至根本不現實。而冰和空氣這兩種廉價原料，卻幾乎隨處可見。研究者指出，在這些環境中，這種無需電力、無需油墨的信息編碼方式，不但能節省能源，還具備天然的隱蔽性。它不怕輻射，不怕腐蝕，也不容易被隨手丟棄。

在火星通過冰儲存信息示意圖（圖片來源：作者使用AI生成）

更令人著迷的是這項冰中氣泡的精密控製的技術，為許多工程難題提供了靈感。例如，研究團隊發現，通過調節凍結速度形成周期性氣泡層，不僅可以存儲信息，還能在冰塊中製造出天然斷點，就像巧克力條上的分割線一樣。這對冰雕藝術、冰結構建築，甚至冷鏈運輸中的智能易折冰塊都具有潛在價值。

此外，這項研究還可能影響金(jīn)屬(shǔ)加(jiā)工(gōng)行(xíng)業(yè)。金屬在鑄造過程中會形成氣泡或空隙，這些缺陷往往決定了材料的強度和壽命。但因為金屬不是透明的，內部不可見，科學家無法像觀察冰一樣看到氣泡的形成與演化過程。而冰恰好提供了一個可視化模擬平台，通過控製氣泡生長的條件，研究者可以間接研究金屬中氣泡的生成機製，從而為改進合金結構提供(gōng)參(cān)考(kǎo)。

而(ér)在(zài)生(shēng)物(wù)和食品領域，這項技術同樣展現出跨界能力。比如，先前已有研究表明，冰中的氣泡可以用來封存臭氧(yǎng)，這(zhè)一(yī)特(tè)性(xìng)正(zhèng)被(bèi)探(tàn)索(suǒ)用(yòng)於(yú)冷(lěng)藏(cáng)海(hǎi)鮮(xiān)、水(shuǐ)果(guǒ)等(děng)食(shí)品(pǐn)的(de)殺(shā)菌(jūn)保(bǎo)鮮(xiān)。更(gèng)進(jìn)一(yī)步(bù)，科學家還設想，是否可以將某些藥物氣化後封存進冰泡中，作為慢釋放載體應用於生物醫藥？氣泡再一次，從空氣殘留物變成了潛在的功能性微結構。

總結

在人工智能、量子芯片和衛星通信主導信息技術版圖的今天，科學家卻回到最簡單的物質——水和空氣。他們讓冰說話，用氣泡編碼，在極寒中封存信息。這項技術的意義不僅在於它能不能替代硬盤或改善通訊，而在於它代表了一種回歸材料本身、以物理過程承載信息的新思路。不借助高昂設備、不依賴複雜係統，隻利用自然界本身的相變過程與幾何特性，就能實現信息的編碼、封存和讀取。這種極簡主義的科學實踐，或許正是通往某些極端環境工程問題的理想答案。

參考文獻：

[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)團(tuán)隊(duì)（楊(yáng)超(chāo) 博(bó)士(shì)、中(zhōng)國(guó)科(kē)普(pǔ)作(zuò)家(jiā)協(xié)會(huì)會(huì)員(yuán)、廣(guǎng)東(dōng)省青年科技創新研究會會員）

審核丨孫克衍博士 中國礦業大學副教授