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化学所离子调控冰晶重结晶研究取得新进展
2017-05-10 | 编辑:lidan | 【 】【打印】【关闭

  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,化学所绿色印刷院重点实验室的科研人员近年在冰成核、冰生长和抑制重结晶方面开展了深入系统的研究。他们发现了异相成核的离子效应Sci. adv., 2016, 2, e1600345揭示抗冻蛋白调控冰核形成的Janus机制Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2016, 113, 14739-14744.);发现了氧化石墨烯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. 

  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等因此研究冰晶重结晶机制,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Zeng Xiaocheng教授合作,研究了离子对冰晶重结晶影响。他们发现水溶液中离子类型对重结晶后的冰晶尺寸有非常大的影响当水溶液中有离子时,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 280微米范围内连续可调(图1) 

    

  图1 离子类型影响重结晶后晶畴尺寸 

  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。这样我们通过重结晶的验方法结合理论模拟,揭示了离子在中的分配系数导致不同重结晶结果的分子机制 

    

  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 

  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3 冰模板法制备不同组分的2D和3D多孔材料 

                                                             绿色印刷重点实验室

2017年510 

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