物質在冰點上下波動而發生凍結與融化交替的現象便是凍融。長期以來，全球科學界對凍融的認知停留在“低溫讓反應變慢”層面，認為凍結不過是給礦物反應按下了“暫停鍵”。近日，中外科學家首次發現凍結本身不僅不會讓礦物反應停止，反而會創造一個特殊的化學反應場所，推動納米礦物發生不可逆的轉化。相關成果發表在7月初出版的《科學》雜志上。

“若隻關注溫度對分子動能的影響，低溫確實讓反應變慢。”文章第一作者、山東師范大學化學化工與材料科學學院教授羅濤表示，凍融過程引入了變量，使得在很多場景中，凍結反而推動化學反應加速或者轉向。

美國太平洋國家實驗室研究員凱文·羅索表示，羅濤教授等研究者的成果表明，寒冷凍結環境中水鐵礦的環境歸趨，以及其相轉化產物所記錄的同位素信息，都需要重新審視。“將冰視為一個主動參與反應的地球化學反應器，成為理解地球表層鐵地球化學循環的核心科學挑戰。”凱文·羅索說。

水鐵礦是自然界中普遍存在的納米礦物，直徑相當於頭發絲直徑的五萬分之一。水鐵礦在水環境中憑借高比表面積，可高效吸附水中的砷、磷等污染物，直接參與水環境的元素循環過程。

利用多尺度技術，研究團隊發現，水結冰形成的冰晶會將水鐵礦顆粒擠入冰晶之間僅幾十至幾百納米厚的液態邊界層。在這一狹小空間中，水鐵礦顆粒經歷脫水、壓縮和氧橋縮合反應，形成穩定的Fe—O—Fe化學鍵，如同被“焊接”在一起，難以分離。

這一短暫的凍結改變了水鐵礦的演化軌跡。在正常情況下，水鐵礦會轉化為針鐵礦﹔而凍結之后，水鐵礦更易形成赤鐵礦。

“幾分鐘的凍結，卻決定了礦物未來數月甚至更長時間的演化方向，這就是凍結的‘記憶效應’。”羅濤表示，冰晶間液態邊界層實際上成為一個高效的微型化學反應器，推動物理作用與化學反應協同進行，從而改變礦物命運。

在本文通訊作者、瑞典於默奧大學博伊利教授看來，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，氣候變化不僅讓凍土融化釋放有機碳等物質，凍結過程本身也在提前“預設”了這些礦物載體的命運。（記者王延斌 通訊員鞏固）