一粒“小铁矿”登上国际顶刊！山师大团队首次揭示水铁矿冻结“记忆效应”

近日，山东师范大学化学化工与材料科学学院罗涛教授团队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。

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”。

罗涛介绍，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”。该团队的研究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。

罗涛介绍，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。罗涛介绍，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。

(大众新闻·海报新闻记者 陈洋洋 实习生 武雨姝 傅子越 济南报道)