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冰的可控形成

來源: X-MOL 2017-08-04 16:20:40

全球變暖已導(dǎo)致極端氣候現(xiàn)象發(fā)生得更加頻繁，程度也更加劇烈。例如在2016年初襲擊美國東部的大規(guī)模暴風(fēng)雪，落在地上的雪最終形成積冰。固體表面結(jié)冰是日常生活中常見的現(xiàn)象，但也以相當(dāng)多的方式影響著工業(yè)與自然系統(tǒng)。近日，臺灣新竹交通大學(xué)機械系的呂明璋（點擊查看介紹）老師團隊成功利用改變固體表面的局部粗糙度達(dá)到控制結(jié)霜位置以及成核密度的目的，并以調(diào)整微結(jié)構(gòu)形狀來控制冰的成核動力學(xué)，該研究結(jié)果可用來開發(fā)新型的抗冰表面。

固體表面結(jié)冰會為工業(yè)系統(tǒng)、基礎(chǔ)建設(shè)帶來許多嚴(yán)重的問題，如降低熱交換器的性能、損害農(nóng)作物及導(dǎo)致電力線路短路或損毀等。由于超疏水表面具有超低的水吸附性，可成為潛在的抗冰策略，近年來應(yīng)用超疏水微納米結(jié)構(gòu)表面來預(yù)防表面結(jié)冰已引起越來越多的關(guān)注。一般來說，冰可以兩種形式在固體表面形成：水蒸氣于固體表面先冷凝后結(jié)冰，稱之為冷凝冷凍過程；第二種方式是結(jié)霜過程，是指水蒸氣在固體表面直接形成冰晶的現(xiàn)象。雖然超疏水表面可應(yīng)用于冷凝冷凍過程，但在固體表面結(jié)霜時，冰會在表面的不同位置形成，當(dāng)表面被冰霜覆蓋時會使超疏水表面失去抗冰效果，因而無法避免固體表面在非常低的溫度下發(fā)生結(jié)霜。

呂教授指出，有效減輕結(jié)霜對表面影響的方法是控制結(jié)霜的位置并立即除霜。原則上，固體表面的成核能壘隨機分布，故冰在普通表面的成核位置也是隨機的。成核的位置受成核自由能決定，成核能壘取決于表面化學(xué)勢能及粗糙度，故通過改變表面的粗糙度，理論上可以控制成核的位置。在最近的ACS Nano 中，呂教授帶領(lǐng)的研究團隊首次利用改變固體表面的局部粗糙度來控制結(jié)霜過程中冰晶的成核位置。

該研究團隊以環(huán)境掃描式電子顯微鏡（ESEM）分析平滑表面、硅納米線陣列表面、梯形微溝槽表面及V形微溝槽表面的動態(tài)結(jié)霜及除霜的情形。由于光滑硅表面及硅納米線陣列表面粗糙度的隨機性，冰的胚胎在這兩種表面呈隨機分布，相比于光滑硅表面，硅納米線陣列表面的大量孔穴可大幅度增加成核密度。另一方面，在微溝槽表面的微溝槽可局部降低成核自由能壘，使冰晶僅在微溝槽處成核。其成核密度可通過改變微溝槽的數(shù)目調(diào)整。

除了可控制冰在溝槽處成核外，V形微溝槽表面可同時控制冰的基底面沿著V形溝槽方向整齊成長；與此相反，冰晶面在梯形微溝槽表面的溝槽上則沒有方向性，這種現(xiàn)象受尖角效應(yīng)的影響。以往的研究表明晶體成核的動力學(xué)可以通過其結(jié)構(gòu)形狀來調(diào)節(jié)。在微溝槽表面溝槽內(nèi)的尖角可促進成核，由于V形溝槽只有一個明確的尖角，故我們觀察到冰核的基底面沿著V形溝槽規(guī)律地排列，且僅沿著溝槽以相同晶格方向成長；而在梯形微溝槽內(nèi)至少有兩個尖角，冰晶的晶格成長方向在梯形微溝槽內(nèi)隨機分布。

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