北京
近日，山东师范大学化学化工与材料科学学院罗涛教授作为第一作者，山东师范大学为第一完成单位，在国际顶级学术期刊《Science》上发表研究论文，首次发现单次冻融循环即可诱导水铁矿纳米颗粒发生不可逆聚集，并将其后续转化路径由针铁矿转向赤铁矿。这是山东师范大学建校以来首次以第一完成单位在《Science》正刊发表研究成果，标志着学校化学学科在基础前沿研究领域取得历史性重大突破。
水铁矿是自然界中普遍存在的纳米矿物，直径仅约5纳米，比表面积大、反应活性极高，稳定性比较差，堪称铁矿物世界的“婴儿”，它既是许多铁矿物形成前的“前驱体”，也是吸附重金属、磷和有机碳的“超级海绵”。但长期以来，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”。罗涛教授团队的研究彻底颠覆了这一传统认识，他们发现冻结本身就是一个主动的“化学反应器”。研究团队利用冷冻透射电镜、红外光谱、X射线光电子能谱及动态光散射等多尺度技术，首次定量揭示了冰晶间液态边界层中纳米颗粒的聚集动力学与界面键合机制。也就是说，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。这种由物理限域和化学键合共同驱动的过程，彻底改变了水铁矿的“轨迹”，原本容易通过溶解再沉淀形成针铁矿，现在却被“掰”到了固相重排形成赤铁矿的新路上。一次冻融，改变了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”。
这项发现的意义远不止于矿物学本身。水铁矿是连接铁元素生物有效性、重金属归宿、磷循环和有机碳封存的关键界面载体。一次冻融循环就能给水铁矿留下长达数月的“记忆效应”，改变其吸附污染物、固定有机碳的能力。在全球变暖导致冻土退化、冰川消融、冻融频率和强度加剧的背景下，这一发现为理解寒区铁循环、碳封存以及污染物迁移提供了全新的理论框架。气候变化不仅让冻土融化释放物质，冻结过程本身也在提前“预设”这些矿物载体的命运。
近年来，山东师范大学化学学科在人才生态建设方面系统性发力，始终坚持“基础研究引领、学科交叉为翼”的发展战略，充分发挥以含氟功能膜材料全国重点实验室为核心的学科平台群协同攻关优势，原创构建“看得见、分得清、测得准”研究范式。罗涛正是学院近年引进并重点培养的青年教师，从海外优青申报到设备采购、经费配套，学校为青年人才冲击顶尖科学问题提供了坚实保障。目前，学科已形成院士领航、国家级人才为骨干、省部级人才为支撑的“金字塔”式人才格局。山东师范大学化学学科将继续深耕基础前沿研究领域，依托现有科研平台与人才优势，不断产出更多原创性重大成果，持续提升学科国际影响力，为服务国家“双碳”战略、生态环境保护等重大需求贡献山师力量，推动学校“冲一流”建设再上新台阶。
本文来源：山东师范大学新闻网
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