北京理工大学开发了“冷冻信息”存储系统

北京理工大学机械与车辆学院能源与动力工程系教授宋孟杰受到冰河中自然形成的气泡的启发，与合作伙伴一起开发了一种在冰中编码信息的方法。他们通过控制冰中气泡的大小和分布，用二进制和摩尔斯电码编码信息。这种方法可以用来存储南极、北极等极寒地区的短信，这些地方的传统信息存储方式可能很难实现，也可能成本太高。相关研究于6月18日在《细胞报告物理科学》中发表。

宋孟杰说:“在自然寒冷地区，使用冰中的气泡传输和存储信息比电信更节能，比纸质文件更隐秘。“这些冷冻信息可以长期保存，所承载的信息便于可视化和读取。”

当水结冰时，水中溶解的气体会被挤出并聚集在一起，形成气泡。这些气泡呈椭圆形或针状，通常可以在冰中找到。为了探索冰中气泡的形成，团队用冷板将两个透明塑料之间的二维水层冷冻。随后，他们测试了不同的温度和目标，以检测冷冻速度和方向对气泡的影响。

他们发现，为了突然改变冻结速度，可以快速降低冷板的温度，形成单层气泡。冷冻速度快会产生椭圆形气泡，所以通过逐渐降低冷冻速度，他们成功地制造出一层含有不同形状气泡的连续层:第一层只有椭圆形气泡，然后是椭圆形和针状气泡共存的层，然后是针状气泡层，最后是透明的无气泡冰。

宋孟杰说：“由于气泡的位置和形状是由冻结速度决定的，所以冰中气泡的形状和分布可以通过手动操作来控制。

研究人员测试了是否可以利用这些结果在冰中编码信息。因此，他们将气泡的大小、形状和位置与摩尔斯电码和二进制中的特定字符相对应。然后，他们编写程序来控制冷板的冻结速度和方向，从而获得适合气泡位置和大小的冰片。

为了读取冷冻信息，研究小组拍摄了冰的照片，并将其转换为灰度图像。然后，他们训练计算机根据气泡的灰度水平自动检测气泡的位置和大小(没有气泡区域是深灰色的，气泡几乎是白色的)。根据这些灰度水平，计算机将冷冻信息解码为二进制或摩尔斯电码，然后将信息转换为可读格式，即英文字母和阿拉伯数。

在对比摩尔斯电码和二进制编码方法后，研究人员得出结论，二进制编码是一个更好的选择，因为它可以存储的信息长度约为摩尔斯电码的十倍。

研究人员表示，除了信息传递，还有其他应用可以控制冰中气泡的位置和分布。例如，由于气泡会降低冰的机械强度，气泡可以直线排列，所以冰面可以整齐地断裂，就像饼干上的压痕线一样。这种方法也可以帮助科学家了解其他固体材料(如铝)中气泡的形成过程，但不能显示铝的内部。

宋孟杰说:“我们的发现可以广泛应用于许多领域。在日常生活中，我们可以控制气泡，有效地制作含有不同气泡的冰，并制作漂亮的冰雕。在工业领域，我们的研究有利于冶金行业和制造业，以及飞机和船舶的除冰工作。”

今后，该团队计划对气泡冰特性的影响进行研究，并对三维环境下气泡的形成进一步研究。