文/图 速豹新闻网记者 张舒
2026年7月，山东师范大学化学化工与材料科学学院教授罗涛以第一作者、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。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，标志着学校化学学科在基础前沿研究领域取得历史性重大突破。
一次冻融，改写教科书
水结冰，在日常生活中再寻常不过。长期以来，科学界对冻融过程的认知普遍停留在“低温让反应变慢”的层面，认为冻结是给矿物反应按下了“暂停键”。罗涛团队的研究给出了截然不同的答案：他们发现冻结本身就是一个主动的“化学反应器”。
“如果只关注温度对分子动能的影响，低温确实会让反应变慢。”罗涛向记者解释道，“但冻融过程引入了冰晶这个全新的变量——冰晶生长过程中会把颗粒排挤到冰晶之间的液态水层中，那个空间极其狭窄，浓度急剧升高，反应非但不会变慢，反而会大大加速。”
罗涛口中提到的这种被冰晶“挤压”的纳米颗粒，到底是什么来头？它是一种自然界中普遍存在的矿物——水铁矿。别看它名字里带个“矿”字，个头却小得惊人，直径只有大约5纳米，相当于头发丝直径的五万分之一，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”。
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，颗粒被高度浓缩，浓度可以骤增2到3个数量级。与此同时，冰晶还会“抢夺”颗粒表面的水分子，让颗粒表面原本被水分子包裹的活性位点暴露出来。当两个“赤裸”的颗粒在如此狭窄的空间内碰撞时，它们不再像常温下那样松散地“粘”在一起，而是直接发生化学键合，形成稳定的Fe—O—Fe键，就像被焊接在一起，再也无法分开。
过去，科学家认为水铁矿在常温下的聚集是可逆的——改变环境条件后，聚集体可以重新分散。罗涛教授团队的研究彻底颠覆了这一传统认识：正常情况下，水铁矿在室温下陈化，会通过溶解再沉淀的路径逐渐转化为针铁矿；但在冰冻诱导不可逆聚集后，由于颗粒之间已经形成了牢固的化学键，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。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。“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’。”罗涛说。
从公园里“捡”回来的Science
这一发现在地球化学领域具有重要意义。针铁矿与赤铁矿虽然都是铁氧化物，但它们的比例可以反映古环境条件：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。通过分析深层岩芯中两种矿物的比例，科学家可以重建数百万年前的古气候。罗涛团队的研究为解读这种比例关系提供了一个此前未被考虑过的变量——冻融历史。
这项改写教科书的发现，起点却是一次再普通不过的野外考察。罗涛在某地质公园的一处冰泉旁注意到，泉水清澈透明，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。团队采集沉淀物分析后确认，其主要成分正是水铁矿。“我们当时就在想，水是清的，怎么一冻就变色了？”正是这个从日常生活中发现的疑问，驱动团队走进了实验室。
实验设计并不复杂——把合成好的水铁矿溶液放进冰箱冷冻十几分钟，再拿出来解冻，肉眼就能看到絮状沉淀慢慢沉到试管底部。现象很简单，但证明它背后的机理，却花了团队近两年时间。
最大的难点在于水铁矿结晶度极低，在电镜下信号微弱。为了证明两个颗粒之间确实发生了化学键合，而不是简单的物理吸附，团队需要拍到颗粒边界处晶格条纹连续匹配的高分辨图像。“我一开始在实验室测了两个多月都没拍出来，”罗涛说。“后来找到材料科学领域的专家合作，用更加专业的设备反复尝试了大半年，终于拍到足以支撑结论的图片。”
罗涛团队的同事崔世璇回忆道：“做实验遇到难点其实很常见，但能坚持大半年的时间把一个表征问题做出来，我觉得非常值得学习。”
从野外发现到论文接收，约两年半时间——其中大部分花在了攻克表征难题上。2026年7月，这篇论文出现在《Science》的页面上，而它的起点，仅仅是一次公园里的“留心”。
从海外优青到顶刊突破
在罗涛的课题组中，学院本科生别翊轩是通过邮件主动联系他加入的。入门阶段，罗涛先带他做基础实验，逐步培养科研感觉，随后放手让他承担独立课题。如今，这位本科生已依托罗涛提供的课题方向，成功申请到省级大学生创新创业训练计划项目。谈及未来规划，他毫不犹豫地表示有意报考罗涛的研究生。“遇到问题时罗老师一直在指导我们、鼓励我们，让我们坚持推进下去。”他说。
山东师范大学人力资源处处长、人才工作办公室主任邹波介绍，罗涛是学校去年从瑞典引进的海外博士后，依托学校入选国家海外优青项目。近年来，山东师范大学深入实施人才强校战略，坚持党管人才，建立以书记、校长为组长的人才工作领导小组，不断完善人才引育“金字塔”体系，优化聘期管理服务，为青年人才冲击顶尖科学问题提供了坚实保障。2025年，学校全职引育院士2人、国家级领军人才11人、国家级青年人才8人，人才引育数量位居省属高校前列，并获批2025年度山东省人才工作表现突出单位。
山东师范大学化学学科始建于1950年，七十余年来始终锚定光分析化学特色主攻方向。学科先后入选山东省一流学科、高峰学科及“811”项目，在全国第五轮学科评估中取得提档进位的成绩，长期稳居ESI全球排名前1%，现已进入全球前1.38‰。
学科始终坚持“重实绩、求实效”的发展导向，自20世纪90年代起深度扎根山东产业一线。突破全氟离子膜国产化技术壁垒，赋能全国氯碱行业节能降碳，累计节约电费超500亿元，获评改革开放四十周年标志性科技成就；研制全球首套热耦合海水制氢装备；攻克污水生物转化关键技术，规模化应用于南水北调东线水质保障及黄河流域生态修复。系列成果有力支撑了山东省化工总产值连续多年稳居全国首位。
此次《Science》重大突破，是学科七十载厚积薄发的里程碑，更是冲刺“双一流”的新起点。
