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——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”）來記錄二進制數據中的“1”和“0”。這種存儲器的一大優點是斷電後數據也不會丟失，一時間被視作可能取代磁盤和磁帶的關鍵技術。然而，隨着半導體內存和硬盤技術的飛速發展和成本的急劇下降，磁泡存儲器的夢想最終未能照進現實，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，在幾十年後的今天，“氣泡存儲”這個概念，竟被一羣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——冰。
近日，一篇發表於 Cell Reports Physical Science 的研究介紹了一項非常新奇的技術：通過精確控制冰層中空氣氣泡的形成，來實現信息的編碼、存儲和讀取。
這項由北京理工大學宋孟傑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裏，爲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，那麼我們是否也能主動地讓冰爲我們傳遞信息呢？
研究團隊給出的答案是肯定的。宋孟傑教授對媒體表示，在自然嚴寒地區，使用被困氣泡作爲信息傳遞和存儲手段比電信通訊消耗更少的能量，比紙質文檔更加隱蔽，這些冰制信息可以長期保存，所攜帶的信息易於可視化和讀取。
圖丨論文圖片摘要（來源：Cell Reports Physical Science）
這項技術的關鍵在於，對水結冰過程中氣泡形成機制的理解。當水開始結冰時，一個有趣的物理現象發生了：溶解在水中的氣體會因爲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，隨後在濃度梯度的驅動下不斷增長，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，研究團隊發現被困氣泡主要呈現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於 5 作爲分界線，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。
更重要的是，這些氣泡的形狀、大小和分佈嚴格依賴於冰凍速率。這一規律爲人工控制氣泡特徵提供了可能。研究團隊意識到，如果能夠精確控制冰凍過程，有可能在冰中創造出預設的氣泡圖案。
爲了驗證這一設想，研究人員設計了一套實驗裝置。他們使用了一種名爲 Hele-Shaw 細胞的裝置，將水膜夾在兩塊透明的丙烯酸板之間，底部放置銅板作爲可控的冷卻表面。這個裝置是一個精密的溫度控制系統，能夠以微秒級的精度調節冷卻板的溫度，進而操控水膜的冰凍速率。
實驗結果驗證了團隊的設想。隨着冰凍速率的變化，冰中會依次出現四個截然不同的區域。首先是蛋形氣泡冰區（ESBI，Egg-Shaped Bubbles Ice），裏面充滿了圓潤的蛋形氣泡；接着是蛋形和針形混合氣泡冰區（E&NSBI，Egg- and Needle-Shaped Ice），兩種形狀的氣泡共存；然後是針形氣泡冰區（NSBI，Needle-Shaped Bubble Ice），細長的針形氣泡佔據主導；最後是無氣泡的清澈冰區（CI，Clear Ice）。
經過反覆實驗和數據分析，他們確定了三個關鍵的臨界冰凍速率：ESBI 到 E&NSBI 的轉換點爲 20.05±0.91 微米每秒，E&NSBI 到 NSBI 的轉換點爲 9.90±0.47 微米每秒，而 NSBI 到 CI 的轉換點爲 2.87±0.28 微米每秒。掌握了這些數值，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，研究人員發現了一個重要現象：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節。
圖丨冰層中截留氣泡的形成過程與特徵（來源：Cell Reports Physical Science）
基於這一發現，研究團隊設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備輸入系統，這些信息可以是文字、數字或其他符號。接下來，系統將這些信息轉換爲精確的溫度控制信號，每個信號都對應着特定的溫度變化曲線。在編碼階段，系統根據這些控制信號實時調節冷卻板溫度，在 Hele-Shaw 細胞中生成包含特定氣泡層序列的冰片。
編碼完成後，使用高分辨率相機獲取冰片的光學圖像。由於氣泡和冰的光學特性不同，在圖像中會呈現出明顯的灰度差異——氣泡區域呈現接近白色的高灰度值，而清澈冰區域則顯示爲較深的灰度值。系統隨後自動計算圖像沿冰層高度方向的歸一化平均灰度值，通過分析這些數值的變化模式來識別氣泡層的位置和數量。
在解碼操作中，程序將灰度值曲線上的信號轉換爲對應的數字序列，再根據預設的編碼規則（摩斯碼、二進制或三進制）將這些數字序列翻譯成可讀的信息。
圖丨通過冰層氣泡編碼傳遞信息（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“·-”在冰中表現爲一個清澈冰層緊接着一個氣泡層的序列。在二進制編碼測試中，阿拉伯數字 11 的二進制表示 1011 被轉換爲氣泡層-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。
爲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 個阿拉伯數字和 26 個英文字母在摩斯碼中的表現，以及 32 個阿拉伯數字在二進制碼中的表現進行統計分析，研究團隊得出了一些結論。在摩斯碼編碼中，字母 E 和 I 因其簡單的編碼結構（E 爲單個“嘀”，I 爲兩個“嘀”）表現出最佳的綜合性能。而在二進制編碼中，數字 5、12、17 和 21 成爲了效率最高的選擇。
圖丨不同編碼方法的比較（來源：Cell Reports Physical Science）
在消息容量的比較中，不同編碼方式展現出了明顯差異。引入終止符概念後，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，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爲最實用的信息傳遞方法。
儘管目前離真正落地還有很長一段路要走，但這項技術或許可以實際應用中發揮許多特殊作用。例如在南極科考站或北極研究基地，傳統的通訊設備面臨嚴峻挑戰：極低的溫度會導致電池性能急劇下降，複雜的電子設備容易出現故障，而衛星通訊的費用又極其昂貴。相比之下，基於冰的信息存儲系統利用的正是極地環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定性。在溫度梯度較小的極地環境中，冰中的信息可以保存相當長的時間。即使在非極地環境中，只要能夠維持冰的固態，存儲的信息就能夠保持完整。這種特性使其特別適合於需要長期歸檔的重要信息。
除了信息存儲和傳遞，這項技術還有其他應用潛力。研究團隊發現，由於氣泡會顯著降低冰的機械強度，通過控制氣泡的排列方式，可以在冰中創建預定的斷裂線。這種技術可以使冰片沿着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。他們計劃系統研究不同類型氣體（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，團隊也在開發適用於三維空間的氣泡控制技術，這將大大增加單位體積內可存儲的信息量。
相關論文以《利用冰層中捕獲的氣泡在寒冷地區實現信息存儲》（Manipulating trapped air bubbles in ice for message storage in cold regions）爲題發表在 Cell Reports Physical Science 上。
圖丨相關論文（來源：Cell Reports Physical Science）
北京理工大學邵苛苛博士與張旋副教授爲共同第一作者，宋孟傑教授爲通訊作者。
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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