結(jié)冰是自然界中常見的相變過程。近地面的冰晶能夠為諸多化學(xué)反應(yīng)提供必要的反應(yīng)界面與反應(yīng)載體，進而深刻影響地表環(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。
在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中國科學(xué)院化學(xué)研究所綠色印刷院重點實驗室的王健君研究員課題組近年來在冰成核、冰生長和抑制重結(jié)晶方面開展了深入系統(tǒng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)了冰異相成核的離子效應(yīng)（Sci. adv., 2016, 2, e1600345）；揭示了抗凍蛋白調(diào)控冰核形成的Janus機制（Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A., 2016, 113, 14739-14744.）；發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯能控制冰晶生長和重結(jié)晶，并首次將氧化石墨烯應(yīng)用于低溫細胞保存（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 997 –1001.）。
冰重結(jié)晶是一種奧斯瓦爾德熟化現(xiàn)象（冰晶演化過程中，因為大冰晶的表面能比小冰晶的表面能小，導(dǎo)致大冰晶變大而小冰晶變小甚至消失），這一現(xiàn)象廣泛存在于自然界。冰重結(jié)晶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等。因此研究冰晶重結(jié)晶機制，實現(xiàn)對冰重結(jié)晶過程的調(diào)控就具有極其重要的價值。最近，他們與美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的曾曉成教授合作，研究了離子對冰晶重結(jié)晶影響。他們發(fā)現(xiàn)水溶液中的離子類型對重結(jié)晶后的冰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)晶后冰晶疇；水溶液中有碘離子時，重結(jié)晶后冰晶疇就大；通過采用不同離子使冰晶疇尺寸能在20微米 到280微米范圍內(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。
進一步分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)不同離子在冰晶和水中的分配系數(shù)不同：氟離子傾向于呆在水中，而碘離子能被包裹在冰晶里（圖2）。在重結(jié)晶過程中，冰水界面會有大量的氟離子存在而抑制冰晶生長；相反，由于冰晶中包含了碘離子使冰晶更易生長。從而導(dǎo)致了不同離子水溶液重結(jié)晶后冰晶疇尺寸截然不同。這樣我們通過重結(jié)晶的實驗方法結(jié)合理論模擬，揭示了離子在冰水中的分配系數(shù)和導(dǎo)致不同重結(jié)晶結(jié)果的分子機制。
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。
由于冰晶疇尺寸在大范圍內(nèi)可調(diào)，而冰重結(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、量子點和高分子膠體粒子組裝成孔徑可調(diào)的2D和3D材料。該工作發(fā)表在《自然—通訊》上（Nat. Commun., 2017, 8, 15154,.）。
圖3：冰模板法制備不同組分的2D和3D多孔材料。
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