褚福强、冯妍卉在Nature子刊发表论文

能源与环境工程学院褚福强副教授、冯妍卉教授及其国内外合作者在《Nature Communications》上发表题为“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”的文章。

盐水液滴结冰机理是海上舰船防冰、海上风电防冰、海水冷冻脱盐等领域的共性基础科学问题。相比于纯水滴结冰问题，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是一项挑战。在这项工作中，全面探究了固体表面盐水液滴的结冰成核和枝晶生长机制，明确了盐水液滴结冰与纯水液滴结冰的关键区别。主要研究结论包括：(1)明晰了盐水液滴结冰的基本特征，其成核一再辉及冻结过程均表现为枝晶生长，枝晶生长伴随且受控于盐离子的排斥，且在共晶点以下盐水液滴无法全部结冰；(2)基于盐水液滴内部的温度变化，重新定义盐水液滴的结冰完成时刻为冻结阶段温度曲线的拐点时刻，并建立了理论模型预测盐水液滴结冰时间；(3)发现了盐水液滴顶端的液膜产生现象，该现象始于结冰完成时刻，可作为盐水液滴结冰完成的指示性特征；该液膜产生现象亦阻碍了结冰尖端的形成；(4)液膜产生后，液膜底部开始有冰晶“发芽”,冰芽逐渐生长，最终刺破液膜，形成特殊的盐水结冰形貌；进而揭示了冰晶发芽现象的物理本质，其源于液膜气液界面的冷凝效应，受控于冷凝效应与固液界面析冰效应的竞争作用。上述现象的发现和机理的揭示对海水防除冰、冷冻脱盐等技术的发展，乃至海冰演化、霜花现象的理解均具有深远意义。