北理工团队研究用冰存储信息——把滚烫的“我爱你”写进冰块里

2月9日，河北承德，兴隆水库出现气泡冰，如同水晶般清澈透明。视觉中国供图

中青报·中青网见习记者 黄晓颖

记者 秦珍子

一直以来，“冰封记忆”都只是打个比方，形容那些短时间内不再触碰的故事。如今修辞成了现实——北京理工大学宋孟杰教授的研究团队已经做出尝试，用气泡在冰里“写字”，保存声音、图像等信息。

其实，大自然的记忆早就写进了冰层：水结冰时，水里溶解的空气若是来不及跑掉，便成了冰封的气泡。冰层把外界隔开，气泡忠实记录下此时的大气成分，如同一个个时间胶囊。

就像煮面条，火大火小会影响面条的软硬，宋孟杰的研究团队发现，水结冰的速度，能决定冰里留下哪种身材的气泡。降温快、结冰快，气泡来不及反应，就被困在其中，身材就和鸡蛋一样椭圆；降温慢一点，预留些逃跑时间，气泡已经动身，就会像针一样细长，若是再慢，气泡便能自由逃出，冰层不会留下气泡的痕迹，变得完全透明。

研究人员意识到，要是能精确控制水结冰的速度，便能让气泡按我们的想法跑——这些气泡的样子和分布，就像冰的 “身份证”，记录冰“出生地”的信息。

他们使用一套类似三明治的实验装置：两块透明塑料板中间夹一层薄水膜，底下垫着一块铜板，能精确控制温度，就像冰冻过程的调速器，决定水膜结冰的快慢，也悄悄定下冰里气泡的模样。

铜板降温快，水膜就像被摁了快进键，瞬间冻成冰，气泡还没来得及反应就被牢牢锁住；铜板降温慢，水膜结冰就像慢镜头，气泡有时间跑、变形，有的跑到一半，有的已经跑没影。经过反复试验，他们找到了气泡逃逸的关键速度，记录下所需的温度和时间。只要把信息转化为温度变化的信号，调准铜板温度，就能在冰上画出透明和不透明交错的信息图谱。

信息图谱的读取也很简单，甚至很优雅：用高分辨率相机给冰面拍照，画面里气泡层偏白、无气泡层颜色更深。计算机程序会将冰面不同层次的灰度信息转换为数字序列，再按照预设的编码进行翻译。

若使用二进制编码，我们可以这样将“我爱你”写入冰层：将这三个字转换为仅含0、1的二进制信号，铜板遇0需缓慢降温，遇1则需骤冷。最终，“我爱你”将被绘成冰层中3条光影不一的条纹。冰面如同纸张，根据深深浅浅的灰度，在0摄氏度以下解码出火热的爱意。

冰作为信息存储介质的原理示意图 北京理工大学宋孟杰团队供图 黄晓颖译

听起来确实有些浪漫。不过，与传统的存储设备如硬盘相比，冰存储的效率不算太高，宋孟杰表示，一块 10 x 10厘米的冰片，大约能存 4页A4纸的文字信息。

回望人类历史，文明进步史亦是存储史。为了更多、更快、更清晰地存储信息，人类一直在寻找新的介质。绳结、兽骨曾记录下遥远时代的刀耕火种，竹简木牍、纸张缣帛则让古老的文明更精确、雅致。再后来，打孔卡、制表机大大提高了存储效率，到了20世纪，磁介质存储的时代来临。

值得一提的是，磁介质存储时代也曾一度涌现气泡存储的信号。上世纪70年代，美国贝尔实验室尝试在磁性薄片上施加不同的磁场，诱导薄膜表面形成圆形泡状结构“磁泡”，通过控制磁泡的产生和消失以及位置，有磁泡为1，无磁泡代表0，实现存储二进制信息。不过，因为成本高、存得慢，磁泡存储很快就消失在历史中。

同样是气泡存储，虽然冰存储技术落地推广同样为时尚早，但它为处于热存储时代的我们，提供了另一种想象。

21世纪再谈储存，我们首先想到的是数据。现今，U盘和硬盘分别代表占据主流的半导体存储和磁储存，保存着我们无尽的回忆。分布在各地的数据中心将我们屏幕上阅读的文字、“云”中的信息，包括和AI的聊天记录一一存档。数据中心如同数字仓库，整齐排列着服务器，昼夜存储、处理和传输。

人类正以前所未有的速度生产信息，数据中心也日益增多，数以千计的服务器和存储器，依赖供电系统供能，制冷系统降温。

根据国际能源署发布的报告，2024年，全球数据中心耗电量约为415太瓦时，约占全球总用电量的1.5%。其中，美国的数据中心耗电量占全球的45%；其次是中国，占比25%；欧洲位居第三，占比15%。报告还预测，到2030年，随着AI的发展，全球数据中心用电量预计将增加一倍以上，达到945太瓦时，大致与目前整个日本的年用电量相当。

美国弗吉尼亚州北部地区集中了亚马逊、微软、谷歌等头部企业的基础设施，是全球最大的数据中心聚集地，曾因输电能力不足导致项目大规模延迟。不仅如此，数据中心设备的生产使得对稀土、锂、钴等矿物需求激增。

与之相对照的是，在特定环境中，冰存储几乎不耗能。

在极地环境中使用冰存储，用气泡传递信息，不仅比纸质文档更隐蔽、更加利于读取，还更节能和环保。完成编码、解码后，冰还是冰，不用伐木造纸，不用凿山取墨，它融化或是继续存在，都能最大程度尊重世界本来的样子。

关于气泡，宋孟杰还有更多想象。既然冰中能被写入气泡，其他材料一样可以。在更多固体材料内，我们同样可以通过温度、压力等参数精准控制气泡，这为材料的生产和塑形提供了新思路。试想，我们若是想分开地板瓷砖，说不定不再需要切割，只需徒手掰断含有气泡的那一段就可以。

迄今为止，冰芯是地表记录全球气候变化信息最核心的载体之一。宋孟杰告诉我，尽管地表的其他物质也能记录信息，但不连续、不准确，“冰做‘硬盘’，是一直在做、唯一（持续）在做”。冰封记忆早就不只是个形象的说法，现今，我们掌握了气泡“输入法”，不仅能优雅地在冰中写入信息，也能更好解码过去那些被暂时封存的记忆。

来源：中国青年报客户端