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北京科技大学，重磅Nature Communications！

时间：2024-04-19 来源： 浏览：

北京科技大学，重磅Nature Communications！

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研究背景

近年来，国家在海洋工程领域面临着越来越多的挑战，其中包括海上舰船、海上风电等设施在恶劣海洋环境下的防冰问题。 在这些环境中，盐水液滴结冰是一种常见且重要的现象。 由于其与盐离子掺杂与排斥的复杂性，盐水液滴结冰机理相较于纯水滴结冰仍存在诸多问题亟待解决。

鉴于此，北京科技大学多尺度与能源材料热特性梯队褚福强副教授、冯妍卉教授及其国内外合作者联合在Nature Communications发题为“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”研究成果。本研究团队进行了全面深入的实验、理论分析和分子动力学模拟。研究人员首先明晰了盐水液滴结冰的基本特征，包括成核-再辉及冻结过程均表现为枝晶生长，并且枝晶生长受盐离子排斥控制。其次，他们基于盐水液滴内部温度变化重新定义了盐水液滴的结冰完成时刻，并建立了理论模型预测结冰时间。此外，研究人员还发现了结冰完成后液膜在盐水液滴顶端的产生现象，并揭示了该现象的物理本质及其对结冰过程的影响。最后，研究团队通过分子动力学模拟验证了所提出的结冰机理，并进一步阐明了冰晶发芽现象的机制。
科学亮点

1. 全面探究盐水液滴结冰机理： 通过实验、理论和分子动力学模拟相结合的方式，系统地研究了盐水液滴的结冰过程，揭示了其基本特征和关键差异。

2. 枝晶生长与盐离子排斥的关系：发现盐水液滴的结冰过程呈现出枝晶生长的特点，并明确了这一过程受盐离子排斥控制的机制，为进一步理解盐水液滴结冰提供了重要线索。

3. 重新定义结冰完成时刻：通过盐水液滴内部温度变化的观察，重新定义了盐水液滴的结冰完成时刻，建立了相关的理论模型，为准确预测结冰时间提供了新的方法。

4. 液膜产生现象的发现与分析：观察到了在结冰完成后液膜在盐水液滴顶端的产生现象，并详细分析了其形成机制，为盐水液滴结冰过程中的关键特征提供了新的认识。

5. 冰晶发芽现象的揭示与验证：发现液膜底部开始有冰晶“发芽”，并进一步揭示了这一现象的物理本质，通过分子动力学模拟验证了相关机制，为理解盐水液滴结冰过程中的冰晶生长提供了重要依据。
图1.  咸滴结冰特性
图2.  咸滴冰冻时间
图3.  咸滴冰冻后的冰芽现象
图4.    盐水薄膜内冰芽形成机制
结论展望
总的来说，作者定性和定量地揭示了液膜内部的冰芽形成机理。冰芽形成现象在广泛的空气湿度和超冷条件下均存在，除非空气湿度极低以防止冷凝，或者表面温度低于共晶点温度。冰芽形成对含有其他离子的冻结液滴也有效。在亲水表面上的实验表明，所有结果都不敏感于固体表面性质或液滴形状。值得注意的是，所有实验都是在常规自然结冰条件下进行的，一些极端条件，如高冷却速率，可能通过调节咸滴冰冻过程中离子行为来改变实验结果，这值得进一步研究 。
原文详情：
-- Chu, F., Li, S., Zhao, C. et al. Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing. Nat Commun 15, 2249 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46518-y

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