随着北极地区竞争升温，美国军方在极端寒冷环境中的行动面临更多挑战。位于马里兰州劳雷尔的约翰斯·霍普金斯应用物理实验室（APL）正利用能够影响冰形成与生长的生物分子特性，开发新材料与相关技术，目标是为国家提供战略与作战层面的能力支撑。

这项研究属于国防高级研究计划局（DARPA）“寒冷环境冰控”（ICE）项目的一部分。该项目旨在借鉴自然界的耐寒适应机制，形成应对极寒作战难题的解决方案。APL在其中通过名为BOREAS（北极霸权环境冰生物优化调控）的计划承担关键任务，团队希望构建一套用于操控冰的技术与蛋白质配方“工具包”，以支持国防部在严酷寒冷环境中的行动。

APL表示，其“控冰”能力的积累始于2020年的内部资助项目，后续相关能力展示帮助实验室进入DARPA项目体系。APL研究与探索发展部高分子化学家乔尔·萨拉帕斯（Joel Sarapas）称，这是实验室提前投入资源、面向未来需求构建能力的案例。

构建分子与蛋白库

在材料侧，萨拉帕斯团队建立了一个包含数百种仿生合成高分子的实体库。这类链状分子带有不同化学侧基分支，可改变高分子的行为及其与环境的相互作用。团队在筛选中发现了数十种能够改变冰形成过程的分子，其中一项发现来自一种常用于化妆品的糖类添加剂衍生物：当该化合物与高分子结合后，表现出异常显著的促冰生长能力。

萨拉帕斯介绍，基于该化合物的结构特征，团队原本预期其会像类似分子一样抑制结冰，但实验显示相反结果：当将其涂覆在冷却表面并引入湿润空气时，冰会在高分子所在位置优先生长。为展示这一现象，研究人员用含相关分子的配方在表面绘制字母，并置于寒冷潮湿环境中，数分钟内“APL”字样以冰的形式显现。

在蛋白侧，由APL分子生物学家威尔·斯通（Will Stone）带领的团队建立了第二个库，涵盖促进冰形成的成核蛋白以及抑制冰生长的抗冻蛋白。团队提出，通过将两类蛋白组合，可能获得更坚固的冰晶结构。

研究人员指出，抗冻蛋白与成核蛋白均通过与单个水分子相互作用来影响冰的形态：成核蛋白为水分子形成晶体提供“支架”，抗冻蛋白则附着在已有冰晶上抑制其继续生长，极地鱼类利用这一机制避免体液结冰。团队认为，两类蛋白结合后，水分子可能更紧密聚集，从而形成更大、更坚韧的冰种晶体。斯通表示，团队在探索这些协同效应时，发现了自然界中不存在、但可能带来更强更稳健冰结构的新分子构型。

为形成新的组合，团队选取了36种研究较充分的抗冻与成核蛋白，并借助机器学习在大型数据库中筛选具有相似分子特征的序列：从1.4万个候选中筛出108种蛋白质（其中多数尚未被表征），再随机组合成11664对独特蛋白质对并进行生产与测试。斯通称，流程中的关键环节之一是建立能够测量这些分子活性的技术，因此团队开发了新的高通量实验方法，以在大量组合中寻找有效结果。

高通量测试与下一阶段方向

APL团队采用标准化微孔板实验，在不到一小时内可处理384个样本；同时还在开发新的力学测试方法，用于测量粘附能，目标是实现每小时测试数百个样本，相比传统粘附测试每个样本需5至10分钟的效率显著提升。

团队还将滴液微流控技术引入实验流程：将单个细胞或分子封装在微小液滴中并暴露于冷冻条件，以便在短时间内研究数千个单独分子对冰的影响。萨拉帕斯表示，这项实验仍在完善，但有望显著提升筛选与验证效率。

随着BOREAS进入下一阶段，APL计划将第一阶段获得的发现用于实际材料开发与场景验证。萨拉帕斯指出，在实验条件下发现分子有效与在实地环境中发挥作用之间仍存在差异。

根据团队披露的方向，潜在应用包括：用于建筑的更坚固或更稳健冰材料，以及用于飞机机翼等表面防结冰的方案。团队也在探索医疗相关用途，例如预防冻伤与开发耐冻药物；此外，还提出未来可能用于冷冻保存捐赠输血血液，以支持远距离运输。