離子調(diào)控冰的重結(jié)晶用于制備多孔材料

劉忠范

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離子調(diào)控冰的重結(jié)晶用于制備多孔材料

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871)

結(jié)冰是自然界中常見的相變過程。近地面的冰晶能夠?yàn)橹T多化學(xué)反應(yīng)提供必要的反應(yīng)界面與反應(yīng)載體，進(jìn)而深刻影響地表環(huán)境變化與地質(zhì)結(jié)構(gòu)變遷。結(jié)冰同時也是生命、大氣、海洋、環(huán)境和航天航空等領(lǐng)域重要的科學(xué)問題, 長期以來受到科學(xué)家的高度重視1,2。圍繞結(jié)冰現(xiàn)象的相關(guān)領(lǐng)域例如：成核3,4，生長5,6，以及重結(jié)晶5,7也得到了廣泛深入的研究。其中，冰的重結(jié)晶是一種奧斯瓦爾德熟化現(xiàn)象：即冰晶演化過程中，因?yàn)榇蟊У谋砻婺鼙刃”У谋砻婺苄。瑢?dǎo)致大冰晶變大而小冰晶變小甚至消失的現(xiàn)象。冰的重結(jié)晶在自然界中非常常見而且在諸多方面有著至關(guān)重要的影響，例如：食物儲存、極寒地區(qū)生物的生存、細(xì)胞和器官的低溫冷凍保存、冰川運(yùn)動，洋流變遷以及大氣臭氧的含量等等。因此研究冰的重結(jié)晶機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對冰的重結(jié)晶過程的調(diào)控就具有極其重要的價值。

最近中國科學(xué)院化學(xué)研究所王健君研究員課題組和美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的ZENG Xiao Cheng教授課題組合作，研究了不同離子對冰的重結(jié)晶特異性影響，相關(guān)成果發(fā)表在雜志上8。研究人員發(fā)現(xiàn)了水溶液中的離子類型對重結(jié)晶后的冰晶晶疇尺寸有非常大的影響：當(dāng)水溶液中有氟離子時，重結(jié)晶后冰晶晶疇小；與之相對的，水溶液中有碘離子時，重結(jié)晶后冰晶晶疇大；通過采用不同離子使冰晶疇尺寸能在20–280 μm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(圖1)。

圖1 離子類型影響重結(jié)晶后冰晶疇尺寸

他們進(jìn)一步通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)在冰晶生長時離子可以進(jìn)入體相冰，而不同的離子進(jìn)入體相冰的能力不同：氟離子很難進(jìn)入體現(xiàn)冰(圖2a)，而碘離子就比較容易進(jìn)入冰晶(圖2(a, b))。難以進(jìn)入冰晶的離子會存在于冰水界面，從而阻止冰晶的重結(jié)晶。

圖2 分子動力學(xué)模擬揭示不同離子在冰水中的分配系數(shù)截然不同

圖3 冰模板法制備不同組分的2D和3D多孔材料

由于冰晶晶疇尺寸在大范圍內(nèi)可調(diào)，而冰的重結(jié)晶是動力學(xué)穩(wěn)定態(tài)過程，所以冰重結(jié)晶為冰模板法可控制備兩維和三維多孔材料提供了新的方法。圖3顯示以重結(jié)晶后的冰晶為模板，將高分子、量子點(diǎn)和高分子膠體粒子組裝成孔徑可調(diào)的2D和3D材料。

這一成果在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)了不同離子對冰的重結(jié)晶的特異性影響，并通過分子動力學(xué)模擬研究了離子調(diào)控冰的重結(jié)晶的微觀機(jī)理，進(jìn)一步利用重結(jié)晶后尺寸可控的冰晶作為模板制備了各種兩維和三維多孔材料。該工作不僅為以后冰水界面的物理化學(xué)研究提供了理論基礎(chǔ)，也為研究可控冰模板法提供了新的思路。

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LIU Zhong-Fan

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10.3866/PKU.WHXB201705126