挨过一次极寒冰冻，矿物会记忆终身 研究颠覆全球学界固有认知 山师科学家发现“冻结”的真相

　　7月14日，山东师范大学化学化工与材料科学学院教授罗涛(左一)在实验室和同事交流工作心得。济南时报·新黄河客户端记者 李焜染 摄

　　近日，山东师范大学迎建校以来标志性科研成果：化学化工与材料科学学院罗涛教授作为第一作者，学校为第一完成单位，在国际顶级学术期刊《Science》正刊发表原创研究论文，揭开水铁矿纳米颗粒经单次冻融发生不可逆转化的全新机理。这项研究推翻了学界对冻融作用的固有认知，刷新了人类对低温矿物演化规律的认知，更在水土生态风险预判、古气候古环境重建等领域提供全新的理论支撑。

　　研究颠覆传统认知

　　填补地球化学领域空白

　　物质在冰点上下波动而发生冻结与融化交替的现象便是冻融。长期以来，科学界对冻融过程的认知停留在“低温让反应变慢”的层面，认为冻结不过是给矿物反应按下了“暂停键”。罗涛团队的研究彻底颠覆了这一传统观点，他直言：“研究证实，冻结本身就是一个主动的‘化学反应器’。”

　　水铁矿广泛存在于土壤、河湖水体中，颗粒直径仅5纳米，活性极高，既能吸附重金属、有机污染物，也是各类铁矿物形成的初始“前驱体”。

　　团队设置-5℃、-10℃、-20℃、-30℃梯度低温，甚至利用液氮模拟-196℃极端冷冻环境开展对照实验，证实只要体系能够结冰，冻融带来的矿物转变就会发生。罗涛解释其中机理：“当水结冰时，冰晶像一双无形的手，把水铁矿纳米颗粒挤到冰晶之间极薄的液态边界层中，那是一个仅有几十到几百纳米厚的狭小空间，大约比一根头发丝细上千倍。在那里，颗粒经历脱水、压缩和表面羟基反应，形成稳定的Fe—O—Fe化学键连接，就像被焊接在一起，再也无法分开。”这种物理挤压与化学键合共同催生的不可逆团聚，会直接改写矿物演化路径。罗涛介绍：“原本水铁矿容易通过溶解再沉淀形成针铁矿，经历一次冻融后，演化路径被彻底改变，转向固相重排生成赤铁矿。一次冻融，就能改变矿物未来数月甚至更长时间的演化方向，这就是冻结的‘记忆效应’。”

　　罗涛这样总结研究的两大独家突破：“发现冻融诱导产生的是不可逆低温团聚。过往研究多聚焦室温环境，依靠有机物配体诱导水铁矿聚集，这种团聚可逆，去除配体后颗粒会重新分散;而冻融作用形成的团聚体不可逆，长时间超声处理也不会重新分散，这是全新发现。其次，观测到颗粒界面仅零点几纳米处发生微弱物相转化，这是大小团聚体后续分化为不同铁矿物的内在驱动力。此前冰冻相关研究多为均相体系，聚焦有机污染物冻融降解转化;我们首次针对固态纳米矿物开展非均相冻融研究，填补了地球化学领域空白。”

　　研究对古气候和古土壤重建

　　具有一定指导意义

　　不少人好奇，偏向基础地球化学的研究，能给普通人带来哪些实际用处?罗涛回应：“研究属于环境地球化学、地质基础学科，核心研究地球元素循环，偏向基础科学，很难直接落地转化成工业、生活应用技术。研究核心意义是加深人类对地球环境运行规律的认知，理解地球元素循环运转逻辑。”但这不代表研究没有现实指导意义。在生态风险防控层面，成果具备重要预警价值。罗涛解释：“虽然没有直接产品化应用，但能预判长期生态风险：水铁矿短期净化水体，干湿交替后污染物二次释放，会威胁生态与人体健康，这是宏观层面的研究意义。”

　　简单来说，水铁矿能吸附水体里的重金属、磷、有机碳，相当于天然净水海绵，但冻土、北方季节性冻融区域反复结冰融化，会破坏矿物结构，让被固定的污染物重新回到水土中，形成二次污染。依托本次研究结论，科研人员可以针对性评估寒区、季节性冻融地带的水土污染长期隐患，为河湖、湿地生态治理提供理论支撑。

　　在古气候、古土壤和考古研究领域，该成果为铁矿物指标的环境解释提供了新的科学依据。罗涛介绍：“这项研究对古气候和古土壤重建具有一定的指导意义，与考古、古环境研究的思路也是相通的。过去，人们通常通过分析地层中针铁矿、赤铁矿等铁矿物的组成和比例来推断古代气候环境条件，而这项研究表明，冻融过程可能对铁矿物形成路径具有重要的选择性。因此，在利用铁矿物指标开展古气候重建时，未来可能需要将冻融环境作为一个重要影响因素纳入解释框架。”(济南时报·新黄河客户端记者 李焜染)