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當(dāng)前位置：首頁(yè)技術(shù)文章香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)團(tuán)隊(duì)：靜電觸發(fā)“冰針空中飛射”前來體驗，揭示液滴凍結(jié)新機(jī)制

香港理工大學(xué)王鉆開(kāi)團(tuán)隊(duì)：靜電觸發(fā)“冰針空中飛射”，揭示液滴凍結(jié)新機(jī)制

更新時(shí)間：2025-08-13點(diǎn)擊次數(shù)：601
從狂暴對(duì)流雷暴中砸落的冰雹，到機(jī)翼表面的頑固結(jié)冰更加廣闊，再到換熱器上的厚重霜層損耗，液滴的結(jié)冰行為無(wú)處不在，并對(duì)自然現(xiàn)象與工程系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響非常完善。值得注意的是性能穩定，液滴的冰凍并非孤立事件，而往往以上百乃至千計(jì)液滴的集群形式出現(xiàn)作用，形成連鎖凍結(jié)的宏觀(guān)效應(yīng)情況正常。這一過(guò)程最常見(jiàn)于基材表面的冷凝結(jié)霜：當(dāng)一個(gè)冷凝水滴首先結(jié)冰，其與周?chē)瘟⒓葱纬伤魵鉂舛忍荻燃夹g特點。該冰滴猶如“蒸汽虹吸器"般吸附周邊水滴的水分子提高鍛煉，并在自身表面沉積出冰枝，朝鄰近水滴方向生長(zhǎng)高效化，直至接觸并誘發(fā)后者的凍結(jié)——這一由冰橋生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的連鎖反應(yīng)技術先進，最終導(dǎo)致整片表面結(jié)霜。


至今延伸，這種二維冰橋機(jī)制構(gòu)成了大多數(shù)防結(jié)冰材料設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：通過(guò)調(diào)控表面潤(rùn)濕性和微／納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)延緩冰橋形成與擴(kuò)展，鮮少有人考慮表面電荷這一隱形卻普遍的影響因子服務好。表面電荷作為聚合物新趨勢、玻璃等介電材料固有的物理屬性，雖不可見(jiàn)卻能顯著改變局部電場(chǎng)分布共謀發展，從而在液滴操控和能量收集等領(lǐng)域展示出巨大潛力學習。既有研究表明，表面電荷可驅(qū)動(dòng)微顆粒的自清潔效應(yīng)聽得懂，并在寒冬中促使雪粒跳躍和遷移應用優勢；由此引發(fā)的疑問(wèn)是：表面電荷是否也以某種未曾察覺(jué)的方式，重塑液滴之間的冰橋形成與凍結(jié)傳播路徑全方位？

香港理工大學(xué)的王鉆開(kāi)教授團(tuán)隊(duì)在《PNAS》以“How surface charges affect interdroplet freezing"為題高效節能，報(bào)道了一種全新液滴凍結(jié)傳播機(jī)制：帶電表面誘導(dǎo)“三維冰針"飛射，液滴間凍結(jié)速度較傳統(tǒng)的水蒸氣濃度梯度驅(qū)動(dòng)的冰橋橋接快五個(gè)數(shù)量級(jí)大局，并可精準(zhǔn)控制凍結(jié)路徑新創新即將到來，從而開(kāi)辟了電荷調(diào)控液滴凍結(jié)的全新維度。

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在具有電性非均一結(jié)構(gòu)的表面上（部分區(qū)域?yàn)椴粠ъo電的銅箔有序推進、部分為帶靜電能力強(qiáng)的PTFE）觀(guān)察到：凍結(jié)液滴會(huì)自發(fā)且持續(xù)“發(fā)射"冰針設施，穿越空氣空隙，觸發(fā)鄰近過(guò)冷水滴的凍結(jié)(圖1A-B)堅定不移。這一現(xiàn)象不只限于二維平面組合運用，該現(xiàn)象中的“冰針"能在三維空間中形成新的空間傳播通道(圖1C-D)。此外，冰針觸發(fā)鄰滴凍結(jié)的速度比傳統(tǒng)“蒸汽擴(kuò)散-凝華冰橋橋接"快高達(dá)五個(gè)數(shù)量級(jí)積極。其中具有毫米級(jí)立柱的樹(shù)脂基底是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130探索，精度：2μm）制備而成。

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圖1. 靜電場(chǎng)梯度導(dǎo)致的冰針飛射集聚，促進(jìn)液滴間的凍結(jié)傳播競爭力。

圖2展示了包括 PTFE、PS狀況、PET機製性梗阻、TPU、尼龍建立和完善、玻璃等常見(jiàn)材料表面均可觸發(fā)液滴間凍結(jié)傳播現(xiàn)象提供了遵循，且冰針的飛射距離與材料的本征帶電性強(qiáng)弱成正比；此外大型，該行為多種極性液體適用服務效率，包括自來(lái)水、酸重要意義、堿統籌發展、鹽水、醇類(lèi)等體系。

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圖2. 引發(fā)冰針飛射材料體系的普適性生產製造，飛射距離與材料的帶電性強(qiáng)弱成正比。

圖3通過(guò)實(shí)驗(yàn)和Comsol模擬展示了冰針飛射的機(jī)理攜手共進。首先共同，在水汽凝華作用下，冰針在冰滴表面形成并持續(xù)生長(zhǎng)經過，并在達(dá)到斷裂閾值時(shí)瞬間“飛出"簡單化；冰針斷裂點(diǎn)的臨界應(yīng)力可由Griffith 裂紋力學(xué)模型解釋?zhuān)槐樀娘w行軌跡受電場(chǎng)控制，且飛行過(guò)程中電荷基本守恒明確了方向，最終接觸懸掛液滴或鄰近液滴系統性，誘發(fā)凍結(jié)。冰針飛射的最大距離與液滴間電場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系單產提升。

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圖3. 靜電場(chǎng)下冰針飛射的機(jī)理便利性。

研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了凍結(jié)順序的編程（遠(yuǎn)處液滴先凍，近處后凍）行動力，以及凍結(jié)路徑的定向控制提供有力支撐，為復(fù)雜環(huán)境中的多點(diǎn)同步凍結(jié)(圖4A)、以及材料表面液滴群的快速凍結(jié)提供了新的策略(圖4B-E)保供。

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圖4. 可控及規(guī)淖孕虚_發；谋橈w射促進(jìn)液滴群凍結(jié)進行部署。

總結(jié)：這項(xiàng)研究不僅在實(shí)驗(yàn)層面觀(guān)測(cè)并驗(yàn)證了一種全新的液滴凍結(jié)傳播機(jī)制，也在理論上建立了電場(chǎng)誘發(fā)冰針射出的力學(xué)模型應用情況。在更廣泛的應(yīng)用前景中保護好，這一機(jī)制也為輸電線(xiàn)冰雪堆積調(diào)控、雷暴云中電場(chǎng)有很大提升空間、冰粒與超冷水滴間的復(fù)雜交互場(chǎng)景提供了啟發(fā)運行好。