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冰的可控形成

来源: X-MOL 2017-08-04 16:20:40

全球变暖已导致极端气候现象发生得更加频繁，程度也更加剧烈。例如在2016年初袭击美国东部的大规模暴风雪，落在地上的雪最终形成积冰。固体表面结冰是日常生活中常见的现象，但也以相当多的方式影响着工业与自然系统。近日，台湾新竹交通大学机械系的吕明璋（点击查看介绍）老师团队成功利用改变固体表面的局部粗糙度达到控制结霜位置以及成核密度的目的，并以调整微结构形状来控制冰的成核动力学，该研究结果可用来开发新型的抗冰表面。

固体表面结冰会为工业系统、基础建设带来许多严重的问题，如降低热交换器的性能、损害农作物及导致电力线路短路或损毁等。由于超疏水表面具有超低的水吸附性，可成为潜在的抗冰策略，近年来应用超疏水微纳米结构表面来预防表面结冰已引起越来越多的关注。一般来说，冰可以两种形式在固体表面形成：水蒸气于固体表面先冷凝后结冰，称之为冷凝冷冻过程；第二种方式是结霜过程，是指水蒸气在固体表面直接形成冰晶的现象。虽然超疏水表面可应用于冷凝冷冻过程，但在固体表面结霜时，冰会在表面的不同位置形成，当表面被冰霜覆盖时会使超疏水表面失去抗冰效果，因而无法避免固体表面在非常低的温度下发生结霜。

吕教授指出，有效减轻结霜对表面影响的方法是控制结霜的位置并立即除霜。原则上，固体表面的成核能垒随机分布，故冰在普通表面的成核位置也是随机的。成核的位置受成核自由能决定，成核能垒取决于表面化学势能及粗糙度，故通过改变表面的粗糙度，理论上可以控制成核的位置。在最近的ACS Nano 中，吕教授带领的研究团队首次利用改变固体表面的局部粗糙度来控制结霜过程中冰晶的成核位置。

该研究团队以环境扫描式电子显微镜（ESEM）分析平滑表面、硅纳米线阵列表面、梯形微沟槽表面及V形微沟槽表面的动态结霜及除霜的情形。由于光滑硅表面及硅纳米线阵列表面粗糙度的随机性，冰的胚胎在这两种表面呈随机分布，相比于光滑硅表面，硅纳米线阵列表面的大量孔穴可大幅度增加成核密度。另一方面，在微沟槽表面的微沟槽可局部降低成核自由能垒，使冰晶仅在微沟槽处成核。其成核密度可通过改变微沟槽的数目调整。

除了可控制冰在沟槽处成核外，V形微沟槽表面可同时控制冰的基底面沿着V形沟槽方向整齐成长；与此相反，冰晶面在梯形微沟槽表面的沟槽上则没有方向性，这种现象受尖角效应的影响。以往的研究表明晶体成核的动力学可以通过其结构形状来调节。在微沟槽表面沟槽内的尖角可促进成核，由于V形沟槽只有一个明确的尖角，故我们观察到冰核的基底面沿着V形沟槽规律地排列，且仅沿着沟槽以相同晶格方向成长；而在梯形微沟槽内至少有两个尖角，冰晶的晶格成长方向在梯形微沟槽内随机分布。

纳米科技

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