中科院化學所王健君課題組：首次揭示冷表面冰晶生長模式

【成果簡介】

近日，科研人員通過在表面上引入納米成核劑的方法，排除冰晶成核及冰晶生長過程中釋放的潛熱對冰晶形貌的影響，研究不同浸潤性固體表面上的冰晶生長。他們發現，當固體表面的接觸角小于一個臨界值時，冰晶沿著表面生長；而當固體表面的接觸角大于這個臨界值時，冰晶離開表面生長。與美國林肯大學教授曾曉成課題組合作，通過分子動力學模擬發現固體表面類冰界面水的存在與否是決定冰晶生長的關鍵原因；實驗和模擬都證實冰晶生長模式轉換的臨界接觸角值約為35度，建立了界面水的微觀結構與宏觀冰晶形貌之間的關系。相關研究成果發表在PNAS上，并被Nature以“Watching how surface properties affect ice growth”為題亮點報道。 ?　　 ?　

【圖文導讀】

圖1 冰晶在不同表面上的生長模式?

圖2 冰生長模式對表面潤濕性和粗糙度的依賴性

（A）納米級光滑表面（鋁表面），（B）AAO-50（平均孔徑為50?nm的AAO）和（C）AAO-90（平均孔徑為90?nm的AAO）。所有AAO樣品的納米孔的平均間距是100?nm。（D）在臨界接觸角下的ASG到OSG轉變。在光滑表面（藍色虛線）上，從ASG模式到OSG模式的轉換發生在θ= 32.5°±1.9°處。R_off代表OSG冰的出現概率。隨著平均孔徑的增加，過渡轉變到更小的接觸角。不同顏色的引導線對應于標有相應顏色的基底。

【研究內容】

輸電設備、飛行器、船舶及地面交通工具等表面的結冰會影響這些設備正常運行，嚴重時對經濟和民生造成巨大損失。2008年初，我國南方地區遭受的冰雪災害，直接經濟損失達上千億元。我們每年用于冰箱、空調除冰、除霜所耗電量與三峽發電站年發電量相當。解決冷表面結冰問題的關鍵是從分子層面理解并控制冰在冷表面上的生長。冷表面上的冰晶形貌是水分子與固體表面相互作用的結果。冬天窗戶上的冰晶形貌不一、令人著迷。近年來有不少理論和實驗研究固體表面水分子的微觀結構，但冰晶的宏觀形貌和固體表面水分子的微觀結構的相互關系卻是未解之謎。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院化學研究所綠色印刷院重點實驗室研究員王健君課題組，通過近8年的時間，自主搭建了不同尺度下觀察表面冰晶成核、冰晶生長及冰晶重結晶等過程的研究平臺。此外，研究人員利用冰晶離開表面生長時與表面接觸面積小，使冰與固體表面粘附低的實驗發現，通過在表面噴涂冰成核劑的方法，實現超低冰粘附的表面，使表面附著的冰在微風作用下得以脫落，為制備超低冰粘附防覆冰涂層提供了全新的思路和方法。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201712/t20171213_4626783.shtml

文獻鏈接：Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities (PNAS, 2017, DOI:10.1073/pnas.1712829114)

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