华南师范大学王耀教授/上海大学石国升教授《JACS》：一种新型纳米技术——用融化冰“造”出功能空心微球

冰融化是生活中司空见惯却极其复杂的自然现象。理论研究表明，冰中预先存在的缺陷会产生“脱离晶格”的水分子，推动块冰融化。然而，由于冰的透明性和瞬时性，这一过程的直接观测或实验证据一直是科学难题。近日，华南师范大学王耀教授团队联合上海大学石国升教授团队，与沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）、北京航空航天大学等单位合作发展了一种新型“冰融化诱导冷冻干燥（IMIL）”技术。他们利用石墨烯纳米探针首次揭示了冰融化过程中内部液体的形状，证明了这些“脱离晶格”的水分子在冰内部会逐渐聚集成球形液滴。这一发现同时启发出一种新型纳米技术——将融化冰中的球状液滴作为天然模板，高效制备高质量的石墨烯空心球材料。与传统制备方法相比，IMIL技术不仅简便环保，还具备规模生产的潜力。作为应用之一，研究团队通过在石墨烯空心球上负载铂纳米颗粒获得高性能室温化学电阻式甲醛传感器材料。这款基于IMIL技术的室温甲醛传感器检测下限低至5 ppb（十亿分之五），响应与恢复时间仅为4.9 秒，性能达到同领域甲醛传感器领先水平。这也展示了IMIL技术在包括气体传感器在内的多领域巨大应用潜力。该研究成果已发表于国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》，华南师范大学为第一完成单位。

【灵感来源与技术流程】

我们都有过从半融化的冰棒中吸取果汁、留下残冰的经历。这一日常现象启发了研究团队：冰的融化不仅发生在表面，其内部同样会产生液体，而这些液体可以通过外力“抽取”出来。团队模仿这一过程，将柔性石墨烯片用作探针引入到冰中，利用其自适应形变能力，成功复刻出融冰内液体被“抽取”后残余的形状，最终获得了石墨烯空心球结构。这些空心球精准复制了液体的形态，揭示了融化冰中的“偏离晶格”水分子会逐渐生成、聚集，并以球形液滴的形式存在。这一发现不仅首次直观呈现了冰融化内部液体的微观形态，也启发出一种新型空心微球制造方法——冰融化诱导冷冻干燥（IMIL）技术

图1. 吮吸融化冰棒启发的IMIL技术流程。模拟冰棒融化过程中液体“被抽取”的现象，利用石墨烯片复刻融化冰内球状液滴形状。

【冰融化揭示液滴奥秘】

基于这一冰融化启发的实验过程，研究团队进一步解析了IMIL技术的科学机制。通过理论计算与实验验证，研究团队成功还原了IMIL技术复刻球状液滴的完整过程。“脱离晶格”的水分子最初在冰中的石墨烯片周围生成，逐渐聚集并形成球形液滴。当液滴被抽走后，石墨烯片贴合在球穴状空腔内壁上，形成空心球的雏形。进一步的实验研究和统计分析表明，空心球的尺寸和成球率可以通过控制冰融化的时间进行调节，这一发现赋予IMIL技术在微观结构调控方面更广阔的应用前景。

图2：IMIL技术复刻球状液滴的演变过程。“脱离晶格”的水分子逐渐围绕石墨烯片生成并聚集成球形液滴，液滴被抽走后，石墨烯片贴合在球穴状空腔内壁上，形成空心球的雏形。

图3：IMIL技术调控空心球结构。通过调节冰块融化时间，控制石墨烯空心球的直径和成球转化率，并通过统计分析验证其相关性。

【空心球助力甲醛检测新突破】

基于IMIL技术，研究团队成功开发了一种负载铂纳米颗粒的石墨烯空心球气敏材料。凭借其独特的球状结构，这些空心球显著增强了对气体分子的吸附能力，尤其在室温甲醛检测中表现出卓越性能，检测下限低至5 ppb，响应与恢复时间仅为4.9 秒，同时具备50次以上循环的长期稳定性和优异的气体选择性。这一成果展现了IMIL技术巨大的应用潜力。

图4：基于IMIL技术制备空心球状气体传感材料。负载铂纳米颗粒的石墨烯空心球传感器，对甲醛室温下展现出超灵敏、快响应以及高选择性等优异传感性能。

【总结与展望】

综上所述，IMIL技术不仅是一种独特的新型纳米加工方法，其绿色、高效、可扩展的特点也使其成为多功能空心球状材料制造的新利器。研究团队表示，这一技术不仅适用于气体传感，还有望拓展至催化剂载体、药物递送和储能材料等领域，未来应用前景广阔。

【主要作者简介】

陈卓，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究科学家，高级工程师，河北省三三三人才工程第三层次。2018年于北京航空航天大学获得博士学位，师从江雷院士和王耀教授。2021年加入KAUST从事博士后研究，2025年晋升为研究科学家。当前研究兴趣包括仿生纳米传感材料、气体/湿度传感器及可穿戴电子设备等领域，在Nature Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，ACS Nano等学术期刊上发表论文20余篇，授权国内外专利6件。

王金荣，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）博士后，工程师。2018年于北京航空航天大学获得博士学位。2021年加入KAUST从事博士后研究，主要研究方向包括智能软体材料、非接触式传感器及可穿戴电子设备等领域，在Nature Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Chem. Mater.等学术期刊上发表论文20余篇，授权国内外专利4件。

刘星，上海大学环境与化学工程学院副研究员、硕士生导师。2018年毕业于中国科学院上海应用物理研究所，2018-2021年在上海大学从事师资博士后工作。主要从事界面水的理论研究，侧重碳基纳米材料界面水的微观性质，抗冻机制研究以及碳基纳米材料在晶体生长、海水淡化、储能方面的相关应用，在Science, Nature Water，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，J. Mater. Chem. A，Advance Science, Adv. Funct. Mater等学术期刊上发表论文20多篇，主持国家自然科学基金委青年科学基金项目。

王耀，华南师范大学华南先进光电子研究院教授，博士生导师，副院长。广东省材料研究学会理事，IEEE PES 电力系统通信与网络安全技术委员会（中国）电力信息通信智能感知技术分委会常务理事，粤港澳大湾区人工智能产业智库专家，2010年入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”。迄今在信息传感材料与器件、新型人工嗅觉传感器关键材料与器件、超分子组装结构与材料和功能高分子材料领域已发表 J. Am. Chem. Soc, ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Small, Adv. Sci., J. Mater. Chem. A. Chem. Mater., Macromolecules, ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Sensors等SCI论文117篇，已授权国家发明专利10余件。自2019年至今受邀担任中国化学会期刊 Current Chinese Science编辑，《分子科学学报》编委。作为负责人已完成国家自然科学基金面上项目（4项）等多项国家、省部级项目。

石国升，上海大学环境与化学工程学院副院长、研究员、博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2008年毕业于吉林大学获博士学位，2008-2018年在中科院上海应用物理研究所从事博士后、副研究员工作。研究领域为盐溶液复杂系统中生物分子和碳基结构的特性研究。构建了水合离子-π作用经典力场生成软件，制备出全新反常化学计量比材料Na2Cl/Na3Cl/Li2Cl/KxCl/CaCl等“反晶”，开发了便携式海水淡化装置，研究成果在水处理、药物分子设计、新材料开发、储能等方面具有应用潜力。主持完成国家自然科学基金3项，及中核装备等项目若干项。在Nature，Science, Nat. Water，Nat. Chem.，Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等学术期刊上发表论文70多篇，获登记软件著作权和授权发明专利10多项。现任上海市净水技术协会理事，《盐湖研究》首届青年编委等。

来源：高分子科学前沿

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