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，当温度降低到水溶液的冰点以下时，就会出现晶状的冰，冰晶的形成和生长是低温生物学研究的重要课题之一。
在常温下，细胞及其溶液处于渗透平衡的状态。当温度降到冰点以下时，首先是细胞外溶液部分“冻结”出冰；细胞外溶液的浓度升高，破坏了细胞外溶液的平衡，水分由细胞内通过细胞膜向外渗透，细胞收缩，细胞内浓度提高；当温度不断降低时，冻结和渗透过程不断进行。在复温时，随着温度的升高，冻结的冰不断融化，水分由细胞外向细胞内渗透，使收缩的细胞膨胀，可能回复原状。上述过程只有被精确控地制，才能使细胞在降温、复温、渗透过程中不被损伤而死亡。
对于不同类型的细胞，要求不同的降温和复温的程序，要求不同种类和不同浓度的抗冻剂。一般说来，细胞的体积越大，结构越复杂，要求的降温速率越慢。因为，在降温的过程中，传热的因素和渗透的因素是共同作用的，要找到最佳的配合。
对指定的某种细胞，存在某个最佳的降温速率，过快冷却和过慢冷却将会造成细胞的死亡。而这个所谓最佳降温速率，对不同细胞有数量级上的差异。
关于“冻结化”过程中低温损伤的机理，目前还不是十分清楚，一般认为细胞内冰的形成及其结晶是过快冷冻造成损伤的原因。而盐浓度过高则是过慢冷冻造成损伤的原因。
由于“冻结化”方法遇到许多困难，从20世纪80年代起，人们探索“玻璃化”的方法实现低温保存。所谓“玻璃化”就是用极快的冷却，使细胞及其所处的溶液来不及形成冰晶，一下子以“非晶体”的方式固化下来。
实现玻璃化所需的要的冷却速率极快，实际上很难达到。例如对于1微米直径的纯净水滴，只有当冷却速率高达107℃/秒时才能实现“玻璃化”。而将极小的样品由室温快速投入液氮所能达到的降温速率一般只有103℃/秒，距“玻璃化”的要求还很远很远。
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