北科大/重大,重磅Nature子刊! 2024年7月3日 下午2:55 • 顶刊 • 阅读 28 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 原创文章,作者:计算搬砖工程师,如若转载,请注明来源华算科技,注明出处:https://www.v-suan.com/index.php/2024/07/03/022eb3844a/ 赞 (0) 0 生成海报 微信扫码分享 相关推荐 太阳能电池又登Science,再次创造历史! 2023年10月15日 西北大学Adv. Sci.:1+1>2! Bi2Te3/Bi2Se3/Bi2S3级联异质结构实现小偏压下高效水分解 2023年10月14日 赵东元院士,最新JACS! 2023年12月14日 李丹/宾德善JACS:突破!COF基负极创储钾有机负极最佳综合性能! 2023年10月9日 Nature子刊:Cu-Ag催化剂电催化水还原和甲醛氧化双重制氢 2023年10月11日 大工胡方圆AEM:“同类相容”策略设计强阴极/电解质界面助力准固态锂硫电池 2024年1月15日