【大众日报等】国际顶刊《Science》刊发山东师范大学重磅成果——水铁矿冻结“记忆效应”颠覆学界认知-师大新闻网

2026年07月21日 | 作者：大众日报等 | 点击数： |

【编者按】7月21日，《大众日报》12版以《国际顶刊《Science》刊发山东师范大学重磅成果——水铁矿冻结“记忆效应”颠覆学界认知》为题，报道报道山东师范大学化学化工与材料科学学院教授罗涛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。该重大成果吸引山东省教育厅、闪电新闻、山东商报、济南日报等省市主流媒体的报道，报道如下：

将一杯含有纳米级水铁矿颗粒的溶液放进冰箱，冷冻十余分钟后取出解冻，肉眼可见絮状沉淀慢慢沉到杯底。这一看似简单的操作，却揭示了一个颠覆科学家传统认知的现象：一次冻融，将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”。

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。

要理解这项发现的意义，得先从水铁矿说起。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。因为尺寸极小，它的比表面积大，反应活性极高，但稳定性却极差，就像一个脾气火暴的婴儿，随时准备“变身”。

自然环境中，水铁矿常常会通过聚集形成更大的颗粒，或者逐渐转化为针铁矿、赤铁矿等其他铁氧化物。长期以来，科学家们普遍认为，水铁矿在常温下的聚集是可逆的，只要改变环境条件，比如调整酸碱度或加入某些配体，聚集起来的颗粒就能重新分散开。“打个比方，这就像两块磁铁吸在一起，稍微一使劲就能掰开。”罗涛说。

研究源于一次偶然的野外观察。2023年，团队在一处地质公园的冰泉旁发现了一个奇特现象：泉水从地下涌出时清澈透明，但泉口周围的冰冻区域却出现了土黄色或红棕色的絮状沉淀。

“水是清的，怎么一冻就变色了？”团队采集沉淀物带回实验室分析后发现，其主要成分正是水铁矿。这个疑问驱使着团队开始探究，冰冻究竟对水铁矿做了什么。

团队在实验室中合成了高纯度的水铁矿溶液，颗粒均匀分散，肉眼看上去清澈透明。他们将溶液置于零下20摄氏度的冰箱中冷冻十几分钟，取出解冻后，溶液中便出现了明显的絮状沉淀。

团队进一步研究发现，这种沉淀是由无数水铁矿纳米颗粒聚集而成的微米级团聚体，而且这种聚集是不可逆的，即便用超声波处理十几、二十分钟，颗粒也无法再分散开。“这与常温下那些‘一拉就开’的可逆聚集完全不同，更像是两个颗粒被‘焊接’在了一起。”罗涛解释。

为什么冰冻能造成如此彻底的改变？团队通过冷冻透射电镜、红外光谱等多技术，首次从微观层面揭示了其中的机理。当水结冰时，冰晶并非一整块致密的固体，而是由许多冰晶颗粒组成，冰晶之间存在着极薄的液态水层，厚度仅有几十到几百纳米。随着冰晶不断生长，水中的水铁矿纳米颗粒被排挤到这些狭小的液态边界层中，浓度急剧升高，能够比原来增大两到三个数量级。与此同时，冰晶生长过程中会产生一种“冷冻抽吸”效应，把颗粒表面的水分子强行拉走，使颗粒表面的活性位点暴露出来。在如此狭窄的空间内，颗粒互相碰撞的机会大增，再加上表面活性位点裸露，两个颗粒一旦相遇，就会发生化学反应，形成牢固的Fe—O—Fe化学键，就像被“焊”在一起。

更令人惊讶的是，这种“焊接”不仅改变了颗粒的聚集状态，还彻底改变了水铁矿后续的演化路径。水铁矿在常温下陈化时，通常会通过溶解再沉淀的方式逐渐转化为针铁矿。但经历了冰冻诱导不可逆聚集后，由于颗粒之间已经形成化学键，转化路径被“掰”到了另一条路上——直接通过固相重排形成赤铁矿。换句话说，一次短暂的冰冻，就给水铁矿留下了长达数月的“记忆”，使其未来转化的方向发生了根本性改变。

这项发现的意义远不止于矿物学本身。针铁矿与赤铁矿的比例，是地球化学家解读古气候的重要指标：潮湿温暖的环境倾向于生成针铁矿，干燥环境则倾向于生成赤铁矿。通过分析不同年代土壤或沉积物中两种矿物的比例，科学家可以重建数百万年前的气候条件。团队的研究提示，冻融历史可能是一个此前从未被充分考虑的变量。在寒冷地区，冻融循环会影响水铁矿的聚集状态，进而影响其最终转化产物，从而干扰对古气候信号的解读。

“作科学研究，需要去探讨现象背后的机理，去问为什么。”罗涛说。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，标志着学校在基础研究领域实现了历史性突破，也为全球寒区地球化学研究提供了全新视角。