土水相互作用以及土水相变是含水多孔介质材料研究的重要内容，也是寒区工程建设以及冻土环境演化等的关键科学问题之一。其研究与低温多孔材料研发、月球水冰赋存以及天然气水合物的形成和分解等密切相关，更是冻胀过程冰分凝和水分迁移关键机制的本质和核心内容。然而，土中水分的相变表征仍沿用描述单质纯水相变的传统相变理论，由于土壤颗粒与水分子相互作用，土水相变与纯水系统存在很大差异，因而基于传统宏观纯水延展的相变理论在实际应用中受到广泛的质疑。 中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）冻土工程国家重点实验室冻土物理力学团队，长期对此问题进行跟踪研究。研究人员在前人研究的基础上，考虑弛豫效应，基于动静态分析，从局部孔隙水压力角度研究了微观界面土水的非一致性(图1)，并进行了力源分析，发展了非一致水的基质势概念；基于此，进一步明晰了非一致水的微观相变机制，对克拉伯龙方程和广义克拉伯龙方程进行了统一(图2)。在此基础上，对土水的空间密度变化、冻土强度变化、冻结点下降、气穴现象、孔压测试技术改进、水合物成核促进效应、未冻水的初始含水量差异(图3)、水分迁移驱动力等核心问题进行了探讨与解释。 土颗粒-水微观界面是研究土水状态及其相变的最小基本单元，界面土水的非一致性及其微观相变理论立足于水的梯度效应，区别于传统一致水的研究角度，为后期的研究提供了新角度，同时该理论框架广泛适用于其他含水多孔介质材料。 该成果于2021年6月9号以 Spatial state distribution and phase transition of Non-uniform water in soils: Implications for engineering and environmental sciences 为题在线发表于中国科学院一区Top期刊（IF=12.984） Advances in Colloid and Interface Science 。西北研究院冻土工程国家重点实验室张莲海为文章第一作者，张莲海、马巍和吴青柏研究员为文章通讯作者。 该研究获国家自然科学基金青年项目（41501072）资助。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0001868621001068

天然气水合物是一种由水分子、气体分子，在适当温度、压力条件下形成的固态晶体化合物，外观似冰。全球范围天然气水合物中蕴藏碳量为传统化石燃料中的至少两倍，对能源、气候、环境变化的影响显著。然而，水合物形成过程控制机理至今尚未被清楚阐释。为此，在过去四十年内出现了近30种模型，从多种不同角度试图阐释水合物形成机理。由于模型众多，带入大量计算参数，反而大大增加形成反应的不确定性，使过程距离主控因素越来越远。 中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）冻土工程国家重点实验室水合物研究团队，对此问题进行了长期跟踪研究，提出是否可以忽略水合物具体生长过程，摆脱由大量模型引入的众多参数干扰，直接考察成核对最终生成的块状水合物晶体影响作用，最终提出初始成核速率可直接影响最终含气率的新水合物形成思路（图1）。在大量实验室实测结果基础上，建立了“水合物优势晶种繁殖生长”新生长模式（图2），并提出实验系统内部某些特殊结构（如具较低温度的拐角结构）是导致这些优势晶种出现的最佳位置（图3）。结论为工业应用中水合物堵塞位置准确预测、物理法清除管道中水合物堵塞等技术，提供具较高参考价值的理论基础。同时，为冰晶体成核与生长过程、冰晶体物理学、力学特性研究，提供一种新研究视角。 该成果于2021年8月17日以 Superior seedlings propagating growth pattern of hydrates 为题在线发表于中国科学院一区Top期刊（IF=13.27，世界化学工程类143个期刊中排名第四）、欧洲化学学会期刊 Chemical Engineering Journal。西北研究院冻土工程国家重点实验室张鹏副研究员为文章第一作者，吴青柏研究员为文章通讯作者。 该研究获国家重点研发计划（深海关键技术与装备专项）课题三（2017YFC0307303）、国家自然科学基金面上、青年项目（41571072、41601079、 41661103）等联合资助。