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北京科技大學(xué)，重磅Nature Communications！

時(shí)間：2024-04-19 來源： 瀏覽：

北京科技大學(xué)，重磅Nature Communications！

小王子 SynBioX
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從化學(xué)合成，到生物制造：化工、材料、生物、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)等

聲明：因水平有限，錯(cuò)誤不可避免，或有些信息非最及時(shí)，歡迎留言指出。本文僅作生化環(huán)材等相關(guān)領(lǐng)域介紹; 本文不構(gòu)成任何投資建議！

研究背景

近年來，國家在海洋工程領(lǐng)域面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，其中包括海上艦船、海上風(fēng)電等設(shè)施在惡劣海洋環(huán)境下的防冰問題。 在這些環(huán)境中，鹽水液滴結(jié)冰是一種常見且重要的現(xiàn)象。 由于其與鹽離子摻雜與排斥的復(fù)雜性，鹽水液滴結(jié)冰機(jī)理相較于純水滴結(jié)冰仍存在諸多問題亟待解決。

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)外合作者聯(lián)合在Nature Communications發(fā)題為“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”研究成果。本研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了全面深入的實(shí)驗(yàn)、理論分析和分子動力學(xué)模擬。研究人員首先明晰了鹽水液滴結(jié)冰的基本特征，包括成核-再輝及凍結(jié)過程均表現(xiàn)為枝晶生長，并且枝晶生長受鹽離子排斥控制。其次，他們基于鹽水液滴內(nèi)部溫度變化重新定義了鹽水液滴的結(jié)冰完成時(shí)刻，并建立了理論模型預(yù)測結(jié)冰時(shí)間。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了結(jié)冰完成后液膜在鹽水液滴頂端的產(chǎn)生現(xiàn)象，并揭示了該現(xiàn)象的物理本質(zhì)及其對結(jié)冰過程的影響。最后，研究團(tuán)隊(duì)通過分子動力學(xué)模擬驗(yàn)證了所提出的結(jié)冰機(jī)理，并進(jìn)一步闡明了冰晶發(fā)芽現(xiàn)象的機(jī)制。
科學(xué)亮點(diǎn)

1. 全面探究鹽水液滴結(jié)冰機(jī)理： 通過實(shí)驗(yàn)、理論和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合的方式，系統(tǒng)地研究了鹽水液滴的結(jié)冰過程，揭示了其基本特征和關(guān)鍵差異。

2. 枝晶生長與鹽離子排斥的關(guān)系：發(fā)現(xiàn)鹽水液滴的結(jié)冰過程呈現(xiàn)出枝晶生長的特點(diǎn)，并明確了這一過程受鹽離子排斥控制的機(jī)制，為進(jìn)一步理解鹽水液滴結(jié)冰提供了重要線索。

3. 重新定義結(jié)冰完成時(shí)刻：通過鹽水液滴內(nèi)部溫度變化的觀察，重新定義了鹽水液滴的結(jié)冰完成時(shí)刻，建立了相關(guān)的理論模型，為準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)冰時(shí)間提供了新的方法。

4. 液膜產(chǎn)生現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與分析：觀察到了在結(jié)冰完成后液膜在鹽水液滴頂端的產(chǎn)生現(xiàn)象，并詳細(xì)分析了其形成機(jī)制，為鹽水液滴結(jié)冰過程中的關(guān)鍵特征提供了新的認(rèn)識。

5. 冰晶發(fā)芽現(xiàn)象的揭示與驗(yàn)證：發(fā)現(xiàn)液膜底部開始有冰晶“發(fā)芽”，并進(jìn)一步揭示了這一現(xiàn)象的物理本質(zhì)，通過分子動力學(xué)模擬驗(yàn)證了相關(guān)機(jī)制，為理解鹽水液滴結(jié)冰過程中的冰晶生長提供了重要依據(jù)。
圖1.  咸滴結(jié)冰特性
圖2.  咸滴冰凍時(shí)間
圖3.  咸滴冰凍后的冰芽現(xiàn)象
圖4.    鹽水薄膜內(nèi)冰芽形成機(jī)制
結(jié)論展望
總的來說，作者定性和定量地揭示了液膜內(nèi)部的冰芽形成機(jī)理。冰芽形成現(xiàn)象在廣泛的空氣濕度和超冷條件下均存在，除非空氣濕度極低以防止冷凝，或者表面溫度低于共晶點(diǎn)溫度。冰芽形成對含有其他離子的凍結(jié)液滴也有效。在親水表面上的實(shí)驗(yàn)表明，所有結(jié)果都不敏感于固體表面性質(zhì)或液滴形狀。值得注意的是，所有實(shí)驗(yàn)都是在常規(guī)自然結(jié)冰條件下進(jìn)行的，一些極端條件，如高冷卻速率，可能通過調(diào)節(jié)咸滴冰凍過程中離子行為來改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這值得進(jìn)一步研究 。
原文詳情：
-- 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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