水覆蓋了地球約70%的表面，占人體質量的60%左右，但這種日常生活中最常見的物質至今仍包含許多科學未解之謎。
在低溫環境下，水通常會結晶形成結構嚴密且排列整齊的冰。不過在特定條件下，水還會變成一種分子結構混亂無序的固態形態，也就是玻璃態水。這種特殊的無定形水存在於極地平流層雲層中，也能幫助耐寒生物在極寒環境中避免冰晶破壞細胞結構。
水結冰時，通常會形成相互鎖合、結構剛性且有序的冰晶。這一過程發生在低至約零下45攝氏度的溫度下；低於這一溫度的區域被科學家稱為熱力學上的無人區。此前學術界推測，大塊水發生玻璃態轉變的溫度大約在零下135℃左右，但由於水在此之前極易迅速結晶成冰，這一轉變過程長期無法被直接觀察到。
為了破解這一難題，由蘇黎世聯邦理工學院的Raffaele Mezzenga領銜的研究團隊，聯合澳大利亞核科學與技術組織(ANSTO)的科研人員，採取了模仿自然的巧妙策略。他們在2026年發表於《Nature Communications》的研究中，將厚度僅數個分子層、不足1奈米的水分子夾在兩層由植基三醇組成的脂質層之間。植基三醇是一種特殊的脂肪醇，在極低溫度下依然能夠保持結構穩定和流動性。
通過這種方式，水分子在溫度下降時被限制了結晶過程。研究人員得以利用同步輻射光源產生的高亮度X射線以及小角與廣角X射線散射技術，精確記錄水從液體向玻璃態轉變的整個過程。同時，團隊還使用了澳大利亞中子散射中心的Emu光譜儀和Pelican光譜儀來捕捉氫分子的振動與運動軌跡。ANSTO的科學家Alice Klapproth指出，中子散射信號主要由水中氫分子的運動主導，這使研究團隊能夠精準測量被限制在微觀介質中的水分子動態。
觀測結果表明，水發生玻璃態轉變的溫度區間遠比此前預想的更高且更寬。在零下63℃至零下20℃的寬廣溫度範圍內，受限分子的運動速度明顯減緩。特別是當溫度降至零下35℃至零下21℃時，水分子的動力學行為發生了劇烈變化，分子運動顯著變得遲緩。而在零下74℃至零下64℃之間，水分子最終鎖定在無序的固態玻璃結構中。當溫度進一步降低時，這種玻璃態結構會像冰凍的脆糖塊一樣，產生宏觀與微觀層面的裂紋。
這項研究不僅揭示了水的微觀物理特性，還具有廣泛的實用價值。研究團隊指出，這一發現對於涉及低溫微觀受限水的所有物理現象都有直接參考意義，例如生物材料的低溫保存以及食品的深度冷凍等領域。
（示意圖）