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鹽水液滴結(jié)冰是一種普遍存在且具有重要實(shí)際意義的現(xiàn)象，它涉及到海洋工程、能源利用和水資源處理等多個(gè)領(lǐng)域。然而，相對于純水滴結(jié)冰問題，由于鹽離子摻雜與排斥的復(fù)雜性，全面理解鹽水液滴結(jié)冰機(jī)理仍然存在諸多未解之謎。

成果簡介

有鑒于此，北京科技大學(xué)多尺度與能源材料熱特性梯隊(duì)褚福強(qiáng)副教授、馮妍卉教授及其國內(nèi)外合作者顏笑教授（重慶大學(xué)）和伊利諾伊大學(xué)香檳分校Nenad Miljkovic教授聯(lián)合在Nature communications發(fā)題為“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”的研究成果。他們通過實(shí)驗(yàn)、理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，系統(tǒng)地探究了固體表面鹽水液滴的結(jié)冰成核和枝晶生長機(jī)制，明晰了鹽水液滴結(jié)冰與純水液滴結(jié)冰的關(guān)鍵區(qū)別。同時(shí)，他們重新定義了鹽水液滴的結(jié)冰完成時(shí)刻，并建立了理論模型來預(yù)測結(jié)冰時(shí)間。最后，他們還發(fā)現(xiàn)了鹽水液滴頂端液膜產(chǎn)生現(xiàn)象，并闡明了該現(xiàn)象的物理本質(zhì)及其對結(jié)冰過程的影響。

研究亮點(diǎn)

1. 全面探究鹽水液滴結(jié)冰機(jī)理：該研究深入探究了鹽水液滴的結(jié)冰機(jī)理，對海上艦船防冰、海上風(fēng)電防冰、海水冷凍脫鹽等領(lǐng)域具有重要意義。

2. 揭示鹽水液滴結(jié)冰的基本特征：研究發(fā)現(xiàn)鹽水液滴結(jié)冰的成核-再輝及凍結(jié)過程表現(xiàn)為枝晶生長，并受鹽離子排斥控制，這與純水滴結(jié)冰存在明顯差異。

3. 重新定義鹽水液滴的結(jié)冰完成時(shí)刻：基于鹽水液滴內(nèi)部溫度變化，建立了理論模型預(yù)測結(jié)冰時(shí)間，并重新定義了結(jié)冰完成時(shí)刻，為準(zhǔn)確評估結(jié)冰過程提供了重要依據(jù)。

4. 發(fā)現(xiàn)液膜產(chǎn)生現(xiàn)象：研究觀察到結(jié)冰完成后液膜在鹽水液滴頂端的產(chǎn)生，該現(xiàn)象成為結(jié)冰完成的指示性特征，并影響了結(jié)冰尖端的形成。

5. 揭示冰晶發(fā)芽現(xiàn)象的物理本質(zhì)：發(fā)現(xiàn)液膜底部冰晶“發(fā)芽”現(xiàn)象，其物理本質(zhì)源于液膜氣液界面的冷凝效應(yīng)，并受控于冷凝效應(yīng)與固液界面析冰效應(yīng)的競爭作用，為理解冰晶生長機(jī)制提供了新的視角。

圖1. 鹽水結(jié)冰特性

圖2. 鹽水冰凍時(shí)間

圖3. 鹽水冰凍后的冰芽現(xiàn)象

圖4. 鹽水薄膜內(nèi)冰芽生長機(jī)制

結(jié)論與展望

總的來說，作者研究了固體表面上鹽水結(jié)冰的特性。與水滴不同，鹽水結(jié)冰使得在凍結(jié)階段形成了濃縮的鹽水，該鹽水在凍結(jié)后被擠壓出來。這導(dǎo)致在鹽水頂部形成了液膜，阻止了尖端的形成。通過將鹽水液滴結(jié)冰結(jié)束時(shí)液膜形成的時(shí)刻定義為凍結(jié)結(jié)束，作者提出了在不同條件下凍結(jié)時(shí)間的預(yù)測模型。

有趣的是，作者觀察到在液膜內(nèi)部冰晶發(fā)芽，最終刺破了液膜，并導(dǎo)致了凍結(jié)的鹽水在形態(tài)上類似于發(fā)芽的西紅柿。因此，該研究結(jié)果闡明了控制鹽水結(jié)冰的物理學(xué)，為凍結(jié)淡化等技術(shù)提供了靈感。

文獻(xiàn)信息

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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