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

成果簡介

有鑒于此，北京科技大學多尺度與能源材料熱特性梯隊褚福強副教授、馮妍卉教授及其國內外合作者顏笑教授（重慶大學）和伊利諾伊大學香檳分校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。他們通過實驗、理論分析和分子動力學模擬等手段，系統(tǒng)地探究了固體表面鹽水液滴的結冰成核和枝晶生長機制，明晰了鹽水液滴結冰與純水液滴結冰的關鍵區(qū)別。同時，他們重新定義了鹽水液滴的結冰完成時刻，并建立了理論模型來預測結冰時間。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)象的物理本質及其對結冰過程的影響。

研究亮點

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

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

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

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

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

圖1. 鹽水結冰特性

圖2. 鹽水冰凍時間

圖3. 鹽水冰凍后的冰芽現(xiàn)象

圖4. 鹽水薄膜內冰芽生長機制

結論與展望

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

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

文獻信息

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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