冬天，水经过固化会转化为晶莹剔透的冰。与许多其他化合物不同，液态水的密度较固态低，因而冰可以在水中漂浮。海水中含有的大量的盐，降低了其凝固点，因而相同条件下的海水不会凝结。当要避免水转化成冰带来的体积膨胀造成的不利影响时，这些可以降低水凝固点的化合物——冷冻保护剂就显得至关重要。然而，将冷冻保护剂真正应用于生物领域的挑战便是找到没有负面作用的添加剂化合物。
我室郭良洽和中科院化学所王健君等人在近期发表于Advanced Materials上的通讯中报道了石墨 - 碳氮化物衍生物对冰块生长的调控并将其作为冷冻保护剂成功应用于细胞保存中。
通过将结构调整材料吸附到冰晶表面可以抑制冰晶沿氢键方向的生长。石墨碳氮化物中含有的三级氮原子具有孤对电子，通过调整孤对电子的空间排列距离为特定的值可以实现上述目标。研究人员合成了两种类型的保护剂量子点材料：第一种，氧化石墨碳氮化物量子点（OCNs），可以令冰晶体在0.08℃过冷却温度（ΔT）下以几乎和在纯水一样的方式生长；第二种，氧化石墨状准碳氮化物量子点（OQCNs），其存在可以促使产生六边形的冰晶，这与植物和昆虫中存在的抗冻蛋白质的作用方式类似。
在低于临界过冷却温度的条件下，含有OCN的水溶液中冰晶生长速率与在水中相似，而OQCNs和其不同变体的存在却可以防止冰晶的生长。冰晶亲和实验也证实了OQCNs在冰晶表面的吸附平衡。
光学显微镜下对急冷量子点分散液的观察显示在解冻期间OQCNs可以抑制水的再结晶。OQCNs的低细胞毒性使研究其作为冷冻保护剂用于细胞保存成为可能。令人惊讶的是，与商业冷冻保护剂羟乙基淀粉相比，冷冻保存的羊红细胞中的量子点冷冻剂的回收率达到55％之多，足足提高了两倍。相关工作发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201606843）。