江蘇
近日，山東師范大學化學化工與材料科學學院羅濤教授作為第一作者，山東師范大學為第一完成單位，在國際頂級學術期刊《Science》上發表研究論文，首次發現單次凍融循環即可誘導水鐵礦納米顆粒發生不可逆聚集，并將其后續轉化路徑由針鐵礦轉向赤鐵礦。這是山東師范大學建校以來首次以第一完成單位在《Science》正刊發表研究成果，標志著學校化學學科在基礎前沿研究領域取得歷史性重大突破。
水鐵礦是自然界中普遍存在的納米礦物，直徑僅約5納米，比表面積大、反應活性極高，穩定性比較差，堪稱鐵礦物世界的“嬰兒”，它既是許多鐵礦物形成前的“前驅體”，也是吸附重金屬、磷和有機碳的“超級海綿”。但長期以來，科學界對凍融過程的認知停留在“低溫讓反應變慢”的層面，認為凍結不過是給礦物反應按下了“暫停鍵”。羅濤教授團隊的研究徹底顛覆了這一傳統認識，他們發現凍結本身就是一個主動的“化學反應器”。研究團隊利用冷凍透射電鏡、紅外光譜、X射線光電子能譜及動態光散射等多尺度技術，首次定量揭示了冰晶間液態邊界層中納米顆粒的聚集動力學與界面鍵合機制。也就是說，當水結冰時，冰晶像一雙無形的手，把水鐵礦納米顆粒擠到冰晶之間極薄的液態邊界層中，那是一個僅有幾十到幾百納米厚的狹小空間，大約比一根頭發絲細上千倍。在那里，顆粒經歷脫水、壓縮和表面羥基反應，形成穩定的Fe—O—Fe化學鍵連接，就像被焊接在一起，再也無法分開。這種由物理限域和化學鍵合共同驅動的過程，徹底改變了水鐵礦的“軌跡”，原本容易通過溶解再沉淀形成針鐵礦，現在卻被“掰”到了固相重排形成赤鐵礦的新路上。一次凍融，改變了礦物未來數月甚至更長時間的演化方向，這就是凍結的“記憶效應”。
這項發現的意義遠不止于礦物學本身。水鐵礦是連接鐵元素生物有效性、重金屬歸宿、磷循環和有機碳封存的關鍵界面載體。一次凍融循環就能給水鐵礦留下長達數月的“記憶效應”，改變其吸附污染物、固定有機碳的能力。在全球變暖導致凍土退化、冰川消融、凍融頻率和強度加劇的背景下，這一發現為理解寒區鐵循環、碳封存以及污染物遷移提供了全新的理論框架。氣候變化不僅讓凍土融化釋放物質，凍結過程本身也在提前“預設”這些礦物載體的命運。
編輯、審核：胡大可
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