新黄河记者：李焜染  

近日，山东师范大学迎来建校以来标志性科研成果：化学化工与材料科学学院罗涛教授作为第一作者，学校为第一完成单位，在国际顶级学术期刊《Science》正刊发表原创研究论文，揭开水铁矿纳米颗粒经单次冻融发生不可逆转化的全新机理。这项研究推翻学界对冻融作用的固有认知，实现学校化学学科基础前沿研究历史性重大突破。

从野外偶然发现到耗时数年攻克核心实验难关，7月14日，罗涛教授在接受新黄河记者采访时表示，此次成果刷新了人类对低温矿物演化规律的认知，更在水土生态风险预判、古气候古环境重建等领域提供全新理论支撑，而数年的科研攻坚之路，藏着偶然发现、反复试错、跨域协作的故事。

颠覆传统认知！一次冻融，给矿物刻下长久“记忆”

水铁矿广泛存在于土壤、河湖水体中，颗粒直径仅5纳米，活性极高，既能吸附重金属、有机污染物，也是各类铁矿物形成的初始“前驱体”。长久以来，全球科研界形成统一认知：低温冻结只会减缓矿物化学反应，相当于给自然元素循环按下“暂停键”。

罗涛教授的团队研究彻底颠覆这一传统观点，他在采访中直言：“长期以来，科学界对冻融过程的认知停留在‘低温让反应变慢’的层面，认为冻结不过是给矿物反应按下了‘暂停键’，但我们的研究证实，冻结本身就是一个主动的‘化学反应器’。”

团队设置-5℃、-10℃、-20℃、-30℃梯度低温，甚至利用液氮模拟-196℃极端冷冻环境开展对照实验，证实只要体系能够结冰，冻融带来的矿物转变就会发生。罗涛解释其中机理：“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，颗粒经历脱水、压缩和表面羟基反应，形成稳定的Fe—O—Fe化学键连接，就像被焊接在一起，再也无法分开。”

这种物理挤压与化学键合共同催生的不可逆团聚，会直接改写矿物演化路径。罗涛介绍：“原本水铁矿容易通过溶解再沉淀形成针铁矿，经历一次冻融后，演化路径被彻底改变，转向固相重排生成赤铁矿。一次冻融，就能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’。”

这项发现，缘起2023年团队海外野外采样。罗涛回忆当时的场景：“我们在一处国外地质公园野外采样时偶然发现，地下涌出的泉水清澈透明，但冬季低温结冰后，冰层周边出现大量土黄色矿物颗粒。泉水肉眼观察无杂质，冷冻后却析出明显絮状沉淀，我们采集样品带回实验室表征，确定主要成分为水铁矿。”

看似简单的自然现象，背后却藏着科研难题。整体冻融模拟实验仅耗时一年，但矿物微观表征成为横亘在团队面前的最大阻碍。罗涛坦言：“宏观冻融实验操作十分简单，但矿物表征难度极大。水铁矿结晶度极差，各类检测仪器信号响应微弱，高分辨透射电镜观测晶格条纹是核心手段，晶格条纹匹配才能代表颗粒发生化学结合，仅物理堆叠的颗粒条纹相互独立。”

团队测试两个月，始终无法拍出清晰晶格图像，只能跨学科联合材料专业团队远程协作调试设备参数。“我们样品寄送至合作单位，通过线上实时沟通调整拍摄参数，花费大半年至一年才拿到有效图像，一张关键图像直接支撑了整篇论文的核心结论。”罗涛说。

谈及论文区别于过往所有研究的核心创新点，罗涛总结两大独家突破：“我们发现冻融诱导产生的是不可逆低温团聚。过往研究多聚焦室温环境，依靠有机物配体诱导水铁矿聚集，这种团聚可逆，去除配体后颗粒会重新分散；而冻融作用形成的团聚体不可逆，长时间超声处理也不会重新分散，这是我们的全新发现。其次，我们观测到颗粒界面仅零点几纳米处发生微弱物相转化，这是大小团聚体后续分化为不同铁矿物的内在驱动力。此前冰冻相关研究多为均相体系，聚焦有机污染物冻融降解转化；我们首次针对固态纳米矿物开展非均相冻融研究，填补了地球化学领域空白。我们遵循由简到繁逻辑，先厘清单一矿物冻融机理，再逐步拓展复杂自然体系。”

基础研究蕴藏现实价值，守护水土生态、还原千年古气候

不少人好奇，偏向基础地球化学的研究，能给普通人带来哪些实际用处？罗涛回应：“我的研究属于环境地球化学、地质基础学科，核心研究地球元素循环，偏向基础科学，很难直接落地转化成工业、生活应用技术。研究核心意义是加深人类对地球环境运行规律的认知，理解地球元素循环运转逻辑。”

但这不代表研究没有现实指导意义，在生态风险防控层面，成果具备重要预警价值。罗涛重点解释：“虽然没有直接产品化应用，但能预判长期生态风险：水铁矿短期净化水体，干湿交替后污染物二次释放，会威胁生态与人体健康，这是我们宏观层面的研究意义。”

简单来说，水铁矿能吸附水体里的重金属、磷、有机碳，相当于天然净水海绵，但冻土、北方季节性冻融区域反复结冰融化，会破坏矿物结构，让被固定的污染物重新回到水土中，形成二次污染。依托本次研究结论，科研人员可以针对性评估寒区、季节性冻融地带的水土污染长期隐患，为河湖、湿地生态治理提供理论支撑。

在古气候、古土壤和考古研究领域，该成果为铁矿物指标的环境解释提供了新的科学依据。罗涛介绍：“我们的研究对古气候和古土壤重建具有一定的指导意义，与考古、古环境研究的思路也是相通的。过去，人们通常通过分析地层中针铁矿、赤铁矿等铁矿物的组成和比例来推断古代气候环境条件，而我们的研究表明，冻融过程可能对铁矿物形成路径具有重要的选择性。因此，在利用铁矿物指标开展古气候重建时，未来可能需要将冻融环境作为一个重要影响因素纳入解释框架。”

深耕不辍薪火相传，青年学者引路，本科生接力深耕前沿

2025年年末，罗涛教授依托国家海外优秀青年人才项目入职山东师范大学，拥有法国博士、瑞典博士后海外求学经历。学院副教授崔世璇谈起罗涛，满是赞许：“罗老师入职之后，很快就和我们团队融合到一起。虽然大家研究方向存在差异，但罗老师特别擅长交流合作，和我们沟通时总能挖掘出双方可以联合开展研究的切入点。”

崔世璇细数罗涛身上的科研品质：“第一，罗老师十分勤奋，办公室基本全勤，不管什么时候过去，他基本都在工位。第二，他善于从自然现象中挖掘科学问题，《Science》这类顶级正刊，格外青睐贴合现实自然现象的研究，更愿意刊发这类成果。第三，面对电镜表征长达一年的科研瓶颈，他能坚持攻坚，这份毅力很难得。论文返修阶段，他逐条细致回复审稿人问题，心态十分沉稳，收到录用通知时，他本人表面看着十分淡定，我们整个课题组却都特别开心，这对咱们山师来说是重大突破。”

前沿科研的大门同样向在校本科生敞开。化学专业大二学生别翊轩主动投递邮件申请进组，在罗涛指导下独立开展小型课题，还联合同学拿下省级大学生创新创业计划立项。别翊轩介绍，课题聚焦“重金属阳离子调控下，水铁矿对抗生素的吸附行为”，和罗涛《Science》论文研究体系一脉相承。

罗涛十分支持本科生参与基础科研，课题组遵循循序渐进的研究思路。他说：“自然水体里不只有铁矿物，还存在大量阴阳离子、抗生素等物质，各类物质之间会发生复杂相互作用，这也是本科生课题的研究核心。自然界水体中的阴阳离子种类繁多，实验没法全部覆盖，只能筛选水体里含量最高、最常见的离子开展研究。我们研究思路是由简到繁，先简化体系理清基础反应规律，再逐步增加变量，就像搭积木一样，先打好基础再层层拓展。”

此次山东师范大学以第一完成单位在《Science》刊发论文，是学校化学学科发展的里程碑。未来，罗涛团队将继续沿着冻融矿物、地球元素循环方向深耕，持续推进跨学科协同研究，同时持续吸纳青年教师、本科生参与基础前沿探索，产出更多兼具理论深度与生态、考古应用价值的原创科研成果。

摄影：李焜染  编辑：周全  校对：汤琪