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物質在冰點上下波動而發生凍結與融化交替的現象被稱為凍融。長期以來，科學界對凍融過程的認知停留在“低溫讓反應變慢”的層面，認為凍結不過是給礦物反應按下了“暫停鍵”。近日，山東師范大學化學化工與材料科學學院羅濤教授團隊發表研究論文，徹底顛覆了這一傳統認識——研究團隊首次發現單次凍融循環即可誘導水鐵礦納米顆粒發生不可逆聚集，并將其后續轉化路徑由針鐵礦轉向赤鐵礦。

水鐵礦是自然界中普遍存在的納米礦物，直徑僅約5納米，它既是許多鐵礦物形成前的“前驅體”，也是吸附重金屬、磷和有機碳的“超級海綿”。在本次研究中，研究團隊發現凍結本身就是一個主動的“化學反應器”。

“當水結冰時，冰晶像一雙無形的手，把水鐵礦納米顆粒擠到冰晶之間極薄的液態邊界層中，那是一個僅有幾十到幾百納米厚的狹小空間。在那里，顆粒經歷脫水、壓縮和表面羥基反應，形成穩定的化學鍵連接，就像被焊接在一起，再也無法分開。”羅濤介紹。

這種由物理限域和化學鍵合共同驅動的過程，徹底改變了水鐵礦的轉化“軌跡”，原本容易通過溶解再沉淀形成針鐵礦，現在卻被“掰”到了固相重排形成赤鐵礦的新路上。一次凍融，改變了礦物未來數月甚至更長時間的演化方向。

該研究對于加深人類對地球環境運行規律的認知、理解地球元素循環運轉邏輯具有重要意義。在全球變暖導致凍土退化、冰川消融、凍融頻率和強度加劇的背景下，這一發現為理解寒區鐵循環、碳封存以及污染物遷移提供了全新的理論框架。氣候變化不僅讓凍土融化釋放物質，凍結過程本身也在提前“預設”這些礦物載體的命運。

“過去，人們通常通過分析地層中針鐵礦、赤鐵礦等鐵礦物的組成和比例來推斷古代氣候環境條件，而我們的研究表明，凍融過程可能對鐵礦物形成路徑具有重要的選擇性。因此，在利用鐵礦物指標開展古氣候重建時，未來可能需要將凍融環境作為一個重要影響因素納入解釋框架。”羅濤說。