科技日报记者 王延斌 通讯员 巩固
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，全球科学界对冻融的认知停留在“低温让反应变慢”层面，认为冻结不过是给矿物反应按下了“暂停键”。近日，中外科学家首次发现冻结本身不仅不会让矿物反应停止，反而会创造一个特殊的化学反应场所，推动纳米矿物发生不可逆的转化。上述成果发表在7月初出版的《科学》杂志上。
“若只关注温度对分子动能的影响，低温确实让反应变慢。”上述成果的第一作者、山东师范大学化学化工与材料科学学院教授罗涛向记者表示，冻融过程引入了变量，使得在很多场景中，冻结反而推动化学反应加速或者转向。
对上述成果，美国太平洋国家实验室研究员凯文·罗索表示，罗涛教授等研究者的成果表明，寒冷冻结环境中水铁矿的环境归趋（即水铁矿在寒冷环境中的分布及最终去向），以及其相转化产物所记录的同位素信息，都需要重新审视。“将冰视为一个主动参与反应的地球化学反应器，已不再只是冰冻圈中的一个专门议题，而成为理解地球表层铁地球化学循环的核心科学挑战。”凯文·罗索说。
水铁矿是自然界中普遍存在的纳米矿物，直径仅约5纳米，相当于头发丝直径的五万分之一。水铁矿在水环境中凭借高比表面积，可高效吸附水中的砷、磷等污染物，是水体中的“超级海绵”，直接参与水环境的元素循环过程。
该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发现：水结冰形成的冰晶会将水铁矿颗粒挤入冰晶之间仅几十至几百纳米厚的液态边界层。在这一狭小空间中，水铁矿颗粒经历脱水、压缩和氧桥缩合反应，形成稳定的Fe—O—Fe化学键，如同被“焊接”在一起，难以分离。
这一短暂的冻结改变了水铁矿的演化轨迹。在正常情况下，水铁矿会转化为针铁矿；而冻结之后，水铁矿更易形成赤铁矿。针铁矿与赤铁矿虽同为铁氧化物，但用途不同。
“几分钟的冻结，却决定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’。”罗涛表示，冰晶间液态边界层实际上成为一个高效的微型化学反应器，推动物理作用与化学反应协同进行，从而改变矿物命运。
在本文通讯作者瑞典于默奥大学博伊利教授看来，上述发现的意义远不止于矿物学本身。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，气候变化不仅让冻土融化释放有机碳等物质，冻结过程本身也在提前“预设”了这些矿物载体的命运。
（受访者供图）
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