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超疏水表面的液滴再結(jié)冰特性
（論文部分內(nèi)容摘抄）
水結(jié)冰是一種在自然界和工業(yè)中經(jīng)常發(fā)生的自然相變現(xiàn)象，對(duì)各種應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。除冰對(duì)于結(jié)冰的表面是必不可少的，但即使是納米工程的超疏水表面，除冰也可能是不完全的，有許多粘附的未融冰滴，具有再結(jié)冰的潛力。在這里，我們關(guān)注的是固體超疏水表面上冰滴的再結(jié)冰特性，這在以前的研究所缺乏關(guān)注。我們的結(jié)果表明，再結(jié)冰冰滴的成核和冰晶生長(zhǎng)特性與結(jié)冰的冰滴的成核生長(zhǎng)特性有很大不同。在結(jié)冰過程中，由于流體剪切產(chǎn)生的二次成核總是首先發(fā)生在未融化的冰的邊緣，伴隨著快速生長(zhǎng)的冰晶，當(dāng)冰晶與固體表面接觸時(shí)，可以觸發(fā)非均相成核。結(jié)冰發(fā)生在非常小的過冷度(小于0.5°C)下，超疏水表面并不起關(guān)鍵作用，這意味著任何現(xiàn)有的疏水表面都會(huì)失去其特性，這對(duì)防冰提出了巨大挑戰(zhàn)。此外，由于過冷度很小，結(jié)冰過程中不會(huì)出現(xiàn)再熱現(xiàn)象，并且液滴保持透明，不會(huì)變暗。
由于未融化的冰漂浮在液滴的頂部，因此液滴在結(jié)冰后的形狀也與正常結(jié)冰后的形狀不同，但在結(jié)冰和正常結(jié)冰過程中形成的尖頂具有一致性。這些結(jié)果應(yīng)加深對(duì)防冰和除冰物理學(xué)的理解。
結(jié)冰現(xiàn)象在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在。當(dāng)環(huán)境溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，水珠會(huì)結(jié)冰。在大多數(shù)情況下，結(jié)冰是不受歡迎的，會(huì)對(duì)各種人類活動(dòng)產(chǎn)生不利影響，例如，它降低了農(nóng)業(yè)的作物產(chǎn)量，威脅了航空飛行的安全，并惡化了熱交換器系統(tǒng)的傳熱。因此，為了避免結(jié)冰的危害，結(jié)冰機(jī)理和防冰技術(shù)在過去幾十年中受到了極大的關(guān)注。研究人員已經(jīng)確定了濕度或氣流環(huán)境下的冰晶形成機(jī)理(液-氣界面上的均相成核或固-液界面上的非均相成核)，研究了冰晶生長(zhǎng)前沿和液滴形狀演化的特征，并揭示了冰晶后期前列形成機(jī)制，除了對(duì)結(jié)冰的基本研究外，還提出了許多防冰方法來抑制結(jié)冰，其中一種方法是應(yīng)用納米工程表面。研究人員制造了許多具有各種結(jié)構(gòu)和潤濕性的表面，其目的是延遲冰晶形成，減緩冰傳播，減少冰粘附，甚至自我清潔過冷的液滴或由一種自跳躍行為而融化的霜種，均取得了預(yù)期的效果。
由于納米工程化表面不能完全抑制結(jié)冰，因此除冰是必不可少的。在實(shí)際應(yīng)用中，除冰可能是不完全的，許多水或冰-水混合液滴附著在表面上。這些殘留的未融化液滴將在設(shè)備下一次操作周期的表面溫度降至0°C以下時(shí)再次結(jié)冰。然而，關(guān)于固體表面上的未融化冰-水混合液珠(我們稱之為復(fù)冰)的結(jié)冰特性的研究相當(dāng)罕見，而液珠的再結(jié)冰在實(shí)踐中普遍存在，值得密切關(guān)注。在本工作中，我們通過重新冷凍融化的冰晶滴再次進(jìn)行再凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，并研究了再凍結(jié)冰晶滴的成核和冰晶生長(zhǎng)特性，這些特性與普通冰晶滴的特性非常不同。我們還發(fā)現(xiàn)，再凍結(jié)冰晶滴形狀和冰晶滴頂部前列的尺寸與普通冰晶滴后不同。我們希望這項(xiàng)工作能對(duì)防冰和除冰機(jī)理和應(yīng)用帶來新的見解。
總之，位于固體超疏水表面上的未熔融液滴(冰水混合物)的結(jié)冰特性是與正常液滴結(jié)冰類似，結(jié)冰過程也包含兩個(gè)階段，包括成核階段和凍結(jié)階段，但結(jié)冰的成核階段與正常結(jié)冰的成核過程截然不同。不同之處在于，在結(jié)冰過程中，由流體剪切引起的二次成核總是首先發(fā)生在未融冰的邊緣，因此，固體表面性質(zhì)的影響被排除在外，任何防冰表面都失去了其成核延遲特性。第二個(gè)區(qū)別是，在結(jié)冰的液滴的液相部分中，冰晶分率很小，因此結(jié)冰的液滴仍然是透明的，而不是混濁的。
由于未融化的冰層，結(jié)冰后的液滴形狀和尖頂尺寸也與普通結(jié)冰后的液滴不同，但結(jié)冰液滴的前列角度與普通冰液滴的前列角沒有明顯區(qū)別。我們希望這項(xiàng)工作能加深我們對(duì)結(jié)冰物理學(xué)的理解，并為防冰技術(shù)帶來靈感。
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