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盐水液滴结冰是一种普遍存在且具有重要实际意义的现象，它涉及到海洋工程、能源利用和水资源处理等多个领域。然而，相对于纯水滴结冰问题，由于盐离子掺杂与排斥的复杂性，全面理解盐水液滴结冰机理仍然存在诸多未解之谜。

成果简介

有鉴于此，北京科技大学多尺度与能源材料热特性梯队褚福强副教授、冯妍卉教授及其国内外合作者颜笑教授（重庆大学）和伊利诺伊大学香槟分校Nenad Miljkovic教授联合在Nature communications发题为“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”的研究成果。他们通过实验、理论分析和分子动力学模拟等手段，系统地探究了固体表面盐水液滴的结冰成核和枝晶生长机制，明晰了盐水液滴结冰与纯水液滴结冰的关键区别。同时，他们重新定义了盐水液滴的结冰完成时刻，并建立了理论模型来预测结冰时间。最后，他们还发现了盐水液滴顶端液膜产生现象，并阐明了该现象的物理本质及其对结冰过程的影响。

研究亮点

1. 全面探究盐水液滴结冰机理：该研究深入探究了盐水液滴的结冰机理，对海上舰船防冰、海上风电防冰、海水冷冻脱盐等领域具有重要意义。

2. 揭示盐水液滴结冰的基本特征：研究发现盐水液滴结冰的成核-再辉及冻结过程表现为枝晶生长，并受盐离子排斥控制，这与纯水滴结冰存在明显差异。

3. 重新定义盐水液滴的结冰完成时刻：基于盐水液滴内部温度变化，建立了理论模型预测结冰时间，并重新定义了结冰完成时刻，为准确评估结冰过程提供了重要依据。

4. 发现液膜产生现象：研究观察到结冰完成后液膜在盐水液滴顶端的产生，该现象成为结冰完成的指示性特征，并影响了结冰尖端的形成。

5. 揭示冰晶发芽现象的物理本质：发现液膜底部冰晶“发芽”现象，其物理本质源于液膜气液界面的冷凝效应，并受控于冷凝效应与固液界面析冰效应的竞争作用，为理解冰晶生长机制提供了新的视角。

图1. 盐水结冰特性

图2. 盐水冰冻时间

图3. 盐水冰冻后的冰芽现象

图4. 盐水薄膜内冰芽生长机制

结论与展望

总的来说，作者研究了固体表面上盐水结冰的特性。与水滴不同，盐水结冰使得在冻结阶段形成了浓缩的盐水，该盐水在冻结后被挤压出来。这导致在盐水顶部形成了液膜，阻止了尖端的形成。通过将盐水液滴结冰结束时液膜形成的时刻定义为冻结结束，作者提出了在不同条件下冻结时间的预测模型。

有趣的是，作者观察到在液膜内部冰晶发芽，最终刺破了液膜，并导致了冻结的盐水在形态上类似于发芽的西红柿。因此，该研究结果阐明了控制盐水结冰的物理学，为冻结淡化等技术提供了灵感。

文献信息

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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