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化学所在离子调控冰晶重结晶研究中取得系列进展

2017-5-15 11:42| 发布者:

摘要:   结冰是自然界中常见的相变过程。近地面的冰晶能够为诸多化学反应提供必要的反应界面与反应载体,进而深刻影响地表环境变化与地质结构变迁。结冰同时也是生命、大气、海洋、环境和航天航空等领域重要的科学问题, ...

  结冰是自然界中常见的相变过程。近地面的冰晶能够为诸多化学反应提供必要的反应界面与反应载体,进而深刻影响地表环境变化与地质结构变迁。结冰同时也是生命、大气、海洋、环境和航天航空等领域重要的科学问题,长期以来受到科学家的高度重视。
  在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下,中国科学院化学学习所绿色印刷重点实验室学习员王健君课题组科研人员近年来在冰成核、冰生长和抑制重结晶方面开展了深入系统的学习。他们发现了冰异相成核的离子效应(Sci. adv., 2016, 2, e1600345);揭示了抗冻蛋白调控冰核形成的Janus机制(PNAS, 2016, 113, 14739-14744.);发现了氧化石墨烯能控制冰晶生长和重结晶,并首次将氧化石墨烯应用于低温细胞保存(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 997 –1001.)。
  冰重结晶是一种奥斯瓦尔德熟化现象(冰晶演化过程中,因为大冰晶的表面能比小冰晶的表面能小,导致大冰晶变大而小冰晶变小甚至消失),这一现象广泛存在于自然界。冰重结晶在诸多方面有着至关重要的影响,例如:食物储存、极寒地区生物的生存、细胞和器官的低温冷冻保存、冰川运动,洋流变迁以及大气臭氧的含量等。因此学习冰晶重结晶机制,实现对冰重结晶过程的调控就具有极其重要的价值。最近,他们与美国内布拉斯加大学林肯分校教授Zeng Xiaocheng合作,学习了离子对冰晶重结晶的影响。他们发现水溶液中的离子类型对重结晶后的冰晶畴尺寸有非常大的影响:当水溶液中有氟离子时,重结晶后冰晶畴小;水溶液中有碘离子时,重结晶后冰晶畴就大;通过采用不同离子使冰晶畴尺寸能在20微米至280微米范围内连续可调(图1)。
  进一步分子动力学模拟发现不同离子在冰晶和水中的分配系数不同:氟离子倾向于留在水中,而碘离子能被包裹在冰晶里(图2)。在重结晶过程中,冰水界面会有大量的氟离子存在而抑制冰晶生长;相反,由于冰晶中包含了碘离子使冰晶更易生长,从而导致了不同离子水溶液重结晶后冰晶畴尺寸截然不同。这样学习人员通过重结晶的实验方法结合理论模拟,揭示了离子在冰水中的分配系数和导致不同重结晶结果的分子机制。
  由于冰晶畴尺寸在大范围内可调,而冰重结晶是动力学稳定态过程,所以冰重结晶为冰模板法可控制备两维和三维多孔材料提供了新的方法。图3显示以重结晶后的冰晶为模板,将高分子、量子点和高分子胶体粒子组装成孔径可调的2D和3D材料。该工作发表在自然—通讯上(Nat. Commun., 2017, 8, 15154.)。



  图1 离子类型影响重结晶后冰晶畴尺寸



  图2 分子动力学模拟揭示不同离子在冰水中的分配系数截然不同



  图3 冰模板法制备不同组分的2D和3D多孔材料

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