中科院化学所王健君课题组：首次揭示冷表面冰晶生长模式

【成果简介】

近日，科研人员通过在表面上引入纳米成核剂的方法，排除冰晶成核及冰晶生长过程中释放的潜热对冰晶形貌的影响，研究不同浸润性固体表面上的冰晶生长。他们发现，当固体表面的接触角小于一个临界值时，冰晶沿着表面生长；而当固体表面的接触角大于这个临界值时，冰晶离开表面生长。与美国林肯大学教授曾晓成课题组合作，通过分子动力学模拟发现固体表面类冰界面水的存在与否是决定冰晶生长的关键原因；实验和模拟都证实冰晶生长模式转换的临界接触角值约为35度，建立了界面水的微观结构与宏观冰晶形貌之间的关系。相关研究成果发表在PNAS上，并被Nature以“Watching how surface properties affect ice growth”为题亮点报道。  　　  　

【图文导读】

图1 冰晶在不同表面上的生长模式 

图2 冰生长模式对表面润湿性和粗糙度的依赖性

（A）纳米级光滑表面（铝表面），（B）AAO-50（平均孔径为50 nm的AAO）和（C）AAO-90（平均孔径为90 nm的AAO）。所有AAO样品的纳米孔的平均间距是100 nm。（D）在临界接触角下的ASG到OSG转变。在光滑表面（蓝色虚线）上，从ASG模式到OSG模式的转换发生在θ= 32.5°±1.9°处。R_off代表OSG冰的出现概率。随着平均孔径的增加，过渡转变到更小的接触角。不同颜色的引导线对应于标有相应颜色的基底。

【研究内容】

输电设备、飞行器、船舶及地面交通工具等表面的结冰会影响这些设备正常运行，严重时对经济和民生造成巨大损失。2008年初，我国南方地区遭受的冰雪灾害，直接经济损失达上千亿元。我们每年用于冰箱、空调除冰、除霜所耗电量与三峡发电站年发电量相当。解决冷表面结冰问题的关键是从分子层面理解并控制冰在冷表面上的生长。冷表面上的冰晶形貌是水分子与固体表面相互作用的结果。冬天窗户上的冰晶形貌不一、令人着迷。近年来有不少理论和实验研究固体表面水分子的微观结构，但冰晶的宏观形貌和固体表面水分子的微观结构的相互关系却是未解之谜。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，中科院化学研究所绿色印刷院重点实验室研究员王健君课题组，通过近8年的时间，自主搭建了不同尺度下观察表面冰晶成核、冰晶生长及冰晶重结晶等过程的研究平台。此外，研究人员利用冰晶离开表面生长时与表面接触面积小，使冰与固体表面粘附低的实验发现，通过在表面喷涂冰成核剂的方法，实现超低冰粘附的表面，使表面附着的冰在微风作用下得以脱落，为制备超低冰粘附防覆冰涂层提供了全新的思路和方法。

原文链接：http://www.cas.cn/syky/201712/t20171213_4626783.shtml

文献链接：Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities (PNAS, 2017, DOI:10.1073/pnas.1712829114)

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