在上世紀 70 年代，美國貝爾實驗室曾推出過一種頗具革命性的存儲技術(shù)——磁泡存儲器（bubble memory）。它的原理是在一種特殊的磁性材料上，利用微小的、可以移動的磁疇（就像一個個“磁性氣泡”）來記錄二進制數(shù)據(jù)中的“1”和“0”。這種存儲器的一大優(yōu)點是斷電后數(shù)據(jù)也不會丟失，一時間被視作可能取代磁盤和磁帶的關(guān)鍵技術(shù)。然而，隨著半導體內(nèi)存和硬盤技術(shù)的飛速發(fā)展和成本的急劇下降，磁泡存儲器的夢想最終未能照進現(xiàn)實，逐漸淡出了人們的視野。

圖丨英特爾 7110 磁泡存儲器模塊（來源：WikiPedia）

但誰能想到，在幾十年后的今天，“氣泡存儲”這個概念，竟被一群科學家以一種意想不到的方式“復活”了，而這一次的載體，不再是磁性薄膜，而是我們生活中最常見的物質(zhì)——冰。

近日，一篇發(fā)表于Cell Reports Physical Science的研究介紹了一項非常新奇的技術(shù)：通過精確控制冰層中空氣氣泡的形成，來實現(xiàn)信息的編碼、存儲和讀取。

這項由北京理工大學宋孟杰教授團隊主導的研究，其靈感來源正是地球上最古老的“天然硬盤”——冰川。我們知道，冰川在形成過程中，會將遠古時代的大氣封存在微小的氣泡里，為今天的科學家留下了一部研究地球氣候變遷的活歷史。既然大自然能無意中用冰來記錄信息，那么我們是否也能主動地讓冰為我們傳遞信息呢？

研究團隊給出的答案是肯定的。宋孟杰教授對媒體表示，在自然嚴寒地區(qū)，使用被困氣泡作為信息傳遞和存儲手段比電信通訊消耗更少的能量，比紙質(zhì)文檔更加隱蔽，這些冰制信息可以長期保存，所攜帶的信息易于可視化和讀取。

圖丨論文圖片摘要（來源：Cell Reports Physical Science）

這項技術(shù)的關(guān)鍵在于，對水結(jié)冰過程中氣泡形成機制的理解。當水開始結(jié)冰時，一個有趣的物理現(xiàn)象發(fā)生了：溶解在水中的氣體會因為固體和液體中溶解度的不同而被擠出，就像被無形的手推到冰凍前沿附近。當這些氣體的濃度積累到臨界值時，微小的氣泡胚胎開始在特定位置成核，隨后在濃度梯度的驅(qū)動下不斷增長，最終被推進的冰凍前沿牢牢封閉，形成了被困在冰中的氣泡。

通過大量實驗觀察，研究團隊發(fā)現(xiàn)被困氣泡主要呈現(xiàn)兩種截然不同的形狀：蛋形氣泡（ESB, Egg-Shaped Bubbles）和針形氣泡（NSB, Needle-Shaped Bubbles）。團隊以氣泡高度與寬度的長寬比等于 5 作為分界線，建立了氣泡分類標準。蛋形氣泡通常在較快的冰凍速率下形成，而針形氣泡則在相對緩慢的冰凍過程中出現(xiàn)。

更重要的是，這些氣泡的形狀、大小和分布嚴格依賴于冰凍速率。這一規(guī)律為人工控制氣泡特征提供了可能。研究團隊意識到，如果能夠精確控制冰凍過程，有可能在冰中創(chuàng)造出預設(shè)的氣泡圖案。

為了驗證這一設(shè)想，研究人員設(shè)計了一套實驗裝置。他們使用了一種名為 Hele-Shaw 細胞的裝置，將水膜夾在兩塊透明的丙烯酸板之間，底部放置銅板作為可控的冷卻表面。這個裝置是一個精密的溫度控制系統(tǒng)，能夠以微秒級的精度調(diào)節(jié)冷卻板的溫度，進而操控水膜的冰凍速率。

實驗結(jié)果驗證了團隊的設(shè)想。隨著冰凍速率的變化，冰中會依次出現(xiàn)四個截然不同的區(qū)域。首先是蛋形氣泡冰區(qū)（ESBI，Egg-Shaped Bubbles Ice），里面充滿了圓潤的蛋形氣泡；接著是蛋形和針形混合氣泡冰區(qū)（E&NSBI，Egg- and Needle-Shaped Ice），兩種形狀的氣泡共存；然后是針形氣泡冰區(qū)（NSBI，Needle-Shaped Bubble Ice），細長的針形氣泡占據(jù)主導；最后是無氣泡的清澈冰區(qū)（CI，Clear Ice）。

經(jīng)過反復實驗和數(shù)據(jù)分析，他們確定了三個關(guān)鍵的臨界冰凍速率：ESBI 到 E&NSBI 的轉(zhuǎn)換點為 20.05±0.91 微米每秒，E&NSBI 到 NSBI 的轉(zhuǎn)換點為 9.90±0.47 微米每秒，而 NSBI 到 CI 的轉(zhuǎn)換點為 2.87±0.28 微米每秒。掌握了這些數(shù)值，就能夠在冰中精確地控制每一個氣泡的位置。

在進一步的探索中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個重要現(xiàn)象：當通過急劇降低冷卻板溫度來突然增加冰凍速率時，會在冰中形成一個清晰的氣泡層。這個氣泡層的位置和厚度都可以通過溫度控制來精確調(diào)節(jié)。

（來源：Cell Reports Physical Science）

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊設(shè)計了三種不同的編碼方案：在摩斯碼（Morse Code）編碼中，氣泡層代表“嘀”（dit），清澈冰層代表“嗒”（dah）；在二進制編碼中，氣泡層和清澈冰層分別代表數(shù)字 1 和 0；而在三進制編碼中，針形氣泡層、蛋形氣泡層和清澈冰層分別代表數(shù)字 2、1 和 0。

整個信息處理流程包含七個步驟。首先，待編碼的信息通過外部設(shè)備輸入系統(tǒng)，這些信息可以是文字、數(shù)字或其他符號。接下來，系統(tǒng)將這些信息轉(zhuǎn)換為精確的溫度控制信號，每個信號都對應著特定的溫度變化曲線。在編碼階段，系統(tǒng)根據(jù)這些控制信號實時調(diào)節(jié)冷卻板溫度，在 Hele-Shaw 細胞中生成包含特定氣泡層序列的冰片。

編碼完成后，使用高分辨率相機獲取冰片的光學圖像。由于氣泡和冰的光學特性不同，在圖像中會呈現(xiàn)出明顯的灰度差異——氣泡區(qū)域呈現(xiàn)接近白色的高灰度值，而清澈冰區(qū)域則顯示為較深的灰度值。系統(tǒng)隨后自動計算圖像沿冰層高度方向的歸一化平均灰度值，通過分析這些數(shù)值的變化模式來識別氣泡層的位置和數(shù)量。

在解碼操作中，程序?qū)⒒叶戎登€上的信號轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字序列，再根據(jù)預設(shè)的編碼規(guī)則（摩斯碼、二進制或三進制）將這些數(shù)字序列翻譯成可讀的信息。

（來源：Cell Reports Physical Science）

實際測試中，研究團隊成功編碼了各種類型的信息。在摩斯碼測試中，他們編碼了完整的英文字母表，例如字母 A 的摩斯碼“·-”在冰中表現(xiàn)為一個清澈冰層緊接著一個氣泡層的序列。在二進制編碼測試中，阿拉伯數(shù)字 11 的二進制表示 1011 被轉(zhuǎn)換為氣泡層-清澈冰層-氣泡層-氣泡層的排列。三進制編碼能夠利用不同形狀的氣泡來承載更大的信息量。

為了評估不同編碼方法的性能，研究團隊建立了一套評價體系，包含四個關(guān)鍵指標：溫度曲線可控性（衡量實驗過程中溫度控制的精確度和穩(wěn)定性）、氣泡層可控性（評估生成預期氣泡層的成功率）、灰度值可識別性（量化解碼過程中信號識別的準確性）和編碼時間（從輸入到輸出完成所需的總時間）。

通過對 10 個阿拉伯數(shù)字和 26 個英文字母在摩斯碼中的表現(xiàn)，以及 32 個阿拉伯數(shù)字在二進制碼中的表現(xiàn)進行統(tǒng)計分析，研究團隊得出了一些結(jié)論。在摩斯碼編碼中，字母 E 和 I 因其簡單的編碼結(jié)構(gòu)（E 為單個“嘀”，I 為兩個“嘀”）表現(xiàn)出最佳的綜合性能。而在二進制編碼中，數(shù)字 5、12、17 和 21 成為了效率最高的選擇。

（來源：Cell Reports Physical Science）

在消息容量的比較中，不同編碼方式展現(xiàn)出了明顯差異。引入終止符概念后，三進制編碼的消息容量達到了摩斯編碼的 10.1 倍，二進制編碼也有 1.7 倍的提升。也就是說，在相同的冰層體積內(nèi)，二進制和三進制編碼能夠存儲更多的信息。綜合考慮所有性能指標，研究團隊最終推薦二進制編碼作為最實用的信息傳遞方法。

盡管目前離真正落地還有很長一段路要走，但這項技術(shù)或許可以實際應用中發(fā)揮許多特殊作用。例如在南極科考站或北極研究基地，傳統(tǒng)的通訊設(shè)備面臨嚴峻挑戰(zhàn)：極低的溫度會導致電池性能急劇下降，復雜的電子設(shè)備容易出現(xiàn)故障，而衛(wèi)星通訊的費用又極其昂貴。相比之下，基于冰的信息存儲系統(tǒng)利用的正是極地環(huán)境中最豐富的兩種資源：水和低溫。

這種存儲方式具有良好的長期穩(wěn)定性。在溫度梯度較小的極地環(huán)境中，冰中的信息可以保存相當長的時間。即使在非極地環(huán)境中，只要能夠維持冰的固態(tài)，存儲的信息就能夠保持完整。這種特性使其特別適合于需要長期歸檔的重要信息。

除了信息存儲和傳遞，這項技術(shù)還有其他應用潛力。研究團隊發(fā)現(xiàn)，由于氣泡會顯著降低冰的機械強度，通過控制氣泡的排列方式，可以在冰中創(chuàng)建預定的斷裂線。這種技術(shù)可以使冰片沿著特定的路徑整齊地斷裂。

目前，研究團隊正在多個方向上深化這項技術(shù)。他們計劃系統(tǒng)研究不同類型氣體（如二氧化碳、氮氣、氬氣等）對氣泡特性的影響，探索是否能夠通過氣體類型的選擇來進一步擴展編碼的可能性。同時，團隊也在開發(fā)適用于三維空間的氣泡控制技術(shù)，這將大大增加單位體積內(nèi)可存儲的信息量。

相關(guān)論文以《利用冰層中捕獲的氣泡在寒冷地區(qū)實現(xiàn)信息存儲》（Manipulating trapped air bubbles in ice for message storage in cold regions）為題發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。

圖丨相關(guān)論文（來源：Cell Reports Physical Science）

北京理工大學邵苛苛博士與張旋副教授為共同第一作者，宋孟杰教授為通訊作者。

參考資料：

1.https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(25)00221-8

2.https://phys.org/news/2025-06-message-physics-enables-encoding-messages.html

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