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化學所在離子調控冰晶重結晶研究中取得係列進展

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化學所在離子調控冰晶重結晶研究中取得係列進展

發布日期:2017-07-05 作者: 點擊:

結冰是自然界中常見的相變過程。近地麵的冰晶能夠為諸多化學反應提供必要的反應界麵與反應載體,進而深刻影響地表環境變化與地質結構變遷。結冰同時也是生命、大氣、海洋、環境和航天航空等領域重要的科學問題,長期以來受到科學家的高度重視。

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下,中國科學院化學研究所綠色印刷重點實驗室研究員王健君課題組科研人員近年來在冰成核、冰生長和抑製重結晶方麵開展了深入係統的研究。他們發現了冰異相成核的離子效應(Sci. adv., 2016, 2, e1600345);揭示了抗凍蛋白調控冰核形成的Janus機製(PNAS, 2016, 113, 14739-14744.);發現了氧化石墨烯能控製冰晶生長和重結晶,並首次將氧化石墨烯應用於低溫細胞保存(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 997 –1001.)。

冰重結晶是一種奧斯瓦爾德熟化現象(冰晶演化過程中,因為大冰晶的表麵能比小冰晶的表麵能小,導致大冰晶變大而小冰晶變小甚至消失),這一現象廣泛存在於自然界。冰重結晶在諸多方麵有著至關重要的影響,例如:食物儲存、極寒地區生物的生存、細胞和器官的低溫冷凍保存、冰川運動,洋流變遷以及大氣臭氧的含量等。因此研究冰晶重結晶機製,實現對冰重結晶過程的調控就具有極其重要的價值。最近,他們與美國內布拉斯加大學林肯分校教授Zeng Xiaocheng合作,研究了離子對冰晶重結晶的影響。他們發現水溶液中的離子類型對重結晶後的冰晶疇尺寸有非常大的影響:當水溶液中有氟離子時,重結晶後冰晶疇小;水溶液中有碘離子時,重結晶後冰晶疇就大;通過采用不同離子使冰晶疇尺寸能在20微米至280微米範圍內連續可調(圖1)。

進一步分子動力學模擬發現不同離子在冰晶和水中的分配係數不同:氟離子傾向於留在水中,而碘離子能被包裹在冰晶裏(圖2)。在重結晶過程中,冰水界麵會有大量的氟離子存在而抑製冰晶生長;相反,由於冰晶中包含了碘離子使冰晶更易生長,從而導致了不同離子水溶液重結晶後冰晶疇尺寸截然不同。這樣研究人員通過重結晶的實驗方法結合理論模擬,揭示了離子在冰水中的分配係數和導致不同重結晶結果的分子機製。

由於冰晶疇尺寸在大範圍內可調,而冰重結晶是動力學穩定態過程,所以冰重結晶為冰模板法可控製備兩維和三維多孔材料提供了新的方法。圖3顯示以重結晶後的冰晶為模板,將高分子、量子點和高分子膠體粒子組裝成孔徑可調的2D和3D材料。該工作發表在《自然—通訊》上(Nat. Commun., 2017, 8, 15154.)。

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