国际仿生工程学会会员、中国科学院化学研究所王健君研究员首次揭示冷表面冰晶生长模式
Time: 2017-12-07 08:51  Click:518

        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的损失。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、令人着迷然;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。但是,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。

Figure 1:冰晶在不同表面上的生长模式。

         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,国际仿生工程学会会员、中国科学院化学研究所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(Science Adv., 2016, 2, e1600345; Proc.Natl Acad. Sci. USA.,2016, 113, 14739;Adv. Mater., 2016, 28, 5008)、冰晶生长(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 997;J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12517;Adv. Mater., 2017, 29,1606843)及冰晶重结晶(Nat. Commun.,2017, 8, 15154;ACS Nano, 2017, 11, 9898)等过程的研究平台。最近,他们通过在表面上引入纳米成核剂的方法,排除了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,研究了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。通过与美国林肯大学的曽晓成教授课题组合作,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;实验和模拟都证实了冰晶生长模式转换的临界接触角值约为35度,成功地建立了界面水的微观结构与宏观冰晶形貌之间的关系。

        此外,他们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,实现了超低冰粘附的表面,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。该研究论文发表Proc. Natl Acad. Sci. USA 2017,114 (43): 11285-11290上,并被Nature以“Watching how surface properties affect ice growth”为题亮点报道。

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