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當(dang)前位置(zhi)：首頁(ye)技術(shu)文(wen)章(zhang)香港理工大學(xue)王(wang)鉆開(kai)團(tuan)隊(dui)：靜(jing)電觸(chu)發“冰(bing)針(zhen)空中飛(fei)射(she)”，揭示(shi)液(ye)滴凍結(jie)新(xin)機制(zhi)

香港理工大學(xue)王(wang)鉆開(kai)團(tuan)隊(dui)：靜(jing)電觸(chu)發“冰(bing)針(zhen)空中飛(fei)射(she)”，揭示(shi)液(ye)滴凍結(jie)新(xin)機制(zhi)

更(geng)新(xin)時間(jian)：2025-08-13

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從(cong)狂暴(bao)對流雷暴(bao)中砸(za)落的冰(bing)雹(bao)，到(dao)機(ji)翼表面(mian)的頑固結冰(bing)，再(zai)到(dao)換熱(re)器(qi)上(shang)的厚重(zhong)霜(shuang)層(ceng)，液(ye)滴的結冰(bing)行(xing)為(wei)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)，並對自(zi)然現(xian)象與(yu)工程(cheng)系(xi)統(tong)產生深遠(yuan)影(ying)響。值(zhi)得(de)註(zhu)意(yi)的是，液(ye)滴的冰(bing)凍並非(fei)孤立(li)事(shi)件，而往往以(yi)上(shang)百乃至千計(ji)液(ye)滴的集群形(xing)式(shi)出現(xian)，形(xing)成連鎖(suo)凍結(jie)的宏(hong)觀效應。這壹過程(cheng)最(zui)常(chang)見於基(ji)材表(biao)面(mian)的冷(leng)凝(ning)結霜(shuang)：當(dang)壹個(ge)冷(leng)凝(ning)水(shui)滴首先(xian)結(jie)冰(bing)，其(qi)與(yu)周圍(wei)水(shui)滴立即(ji)形(xing)成水(shui)蒸氣(qi)濃(nong)度梯度。該冰(bing)滴猶如(ru)“蒸汽(qi)虹(hong)吸器(qi)"般(ban)吸(xi)附(fu)周(zhou)邊水(shui)滴的水(shui)分(fen)子(zi)，並在(zai)自(zi)身(shen)表面沈積出冰(bing)枝(zhi)，朝(chao)鄰近水(shui)滴方(fang)向生(sheng)長，直至(zhi)接(jie)觸(chu)並誘(you)發後者(zhe)的凍結(jie)——這(zhe)壹由(you)冰(bing)橋(qiao)生長(chang)驅(qu)動(dong)的連鎖(suo)反(fan)應，最(zui)終(zhong)導致(zhi)整片(pian)表(biao)面(mian)結(jie)霜(shuang)。

至(zhi)今(jin)，這種二(er)維冰(bing)橋(qiao)機制(zhi)構(gou)成(cheng)了大多數防(fang)結冰(bing)材(cai)料(liao)設計的理論(lun)基(ji)礎(chu)：通(tong)過調控表面(mian)潤(run)濕(shi)性(xing)和微(wei)／納(na)米拓(tuo)撲結構來(lai)延(yan)緩冰(bing)橋(qiao)形(xing)成與(yu)擴展(zhan)，鮮少有(you)人考慮(lv)表面(mian)電荷(he)這壹隱(yin)形(xing)卻(que)普(pu)遍(bian)的影響因(yin)子。表(biao)面電荷(he)作為(wei)聚合(he)物、玻(bo)璃(li)等介(jie)電材(cai)料(liao)固有的物理屬(shu)性(xing)，雖不可見卻(que)能(neng)顯著(zhu)改(gai)變(bian)局部電場(chang)分(fen)布(bu)，從(cong)而在(zai)液(ye)滴操控(kong)和(he)能(neng)量(liang)收集(ji)等領(ling)域(yu)展(zhan)示(shi)出巨(ju)大潛(qian)力。既有研究(jiu)表(biao)明，表面(mian)電荷(he)可驅(qu)動(dong)微顆(ke)粒(li)的自(zi)清潔(jie)效應，並在(zai)寒冬(dong)中促使雪粒跳(tiao)躍和遷移；由(you)此(ci)引(yin)發的疑(yi)問(wen)是：表(biao)面電荷(he)是否(fou)也以某種未(wei)曾察覺(jiao)的方(fang)式(shi)，重(zhong)塑液(ye)滴之(zhi)間(jian)的冰(bing)橋(qiao)形(xing)成與(yu)凍結(jie)傳(chuan)播路徑？

香港理工大學(xue)的王鉆開(kai)教(jiao)授團(tuan)隊(dui)在(zai)《PNAS》以“How surface charges affect interdroplet freezing"為(wei)題，報道了壹種(zhong)全(quan)新(xin)液(ye)滴凍結(jie)傳(chuan)播機(ji)制：帶(dai)電表(biao)面(mian)誘導“三維冰(bing)針(zhen)"飛(fei)射(she)，液(ye)滴間(jian)凍結(jie)速(su)度較(jiao)傳統(tong)的水(shui)蒸氣(qi)濃(nong)度梯度驅(qu)動(dong)的冰(bing)橋(qiao)橋(qiao)接快五個數(shu)量(liang)級，並可(ke)精準(zhun)控(kong)制(zhi)凍結(jie)路徑，從(cong)而開(kai)辟了電荷(he)調控(kong)液(ye)滴凍結(jie)的全(quan)新(xin)維度。

在(zai)具有電性(xing)非(fei)均壹結(jie)構(gou)的表面上(shang)（部分(fen)區(qu)域為(wei)不(bu)帶(dai)靜(jing)電的銅箔、部分(fen)為(wei)帶(dai)靜(jing)電能(neng)力強(qiang)的PTFE）觀察到(dao)：凍結(jie)液(ye)滴會(hui)自(zi)發且持續(xu)“發射(she)"冰(bing)針(zhen)，穿越空(kong)氣(qi)空(kong)隙，觸(chu)發鄰近過冷(leng)水(shui)滴的凍結(jie)(圖1A-B)。這壹現(xian)象(xiang)不只限(xian)於二維平(ping)面，該(gai)現(xian)象(xiang)中的“冰(bing)針(zhen)"能(neng)在(zai)三維空間(jian)中形(xing)成新(xin)的空間(jian)傳(chuan)播(bo)通(tong)道(圖1C-D)。此(ci)外，冰(bing)針(zhen)觸(chu)發鄰滴凍結(jie)的速度比傳(chuan)統(tong)“蒸汽(qi)擴(kuo)散-凝華(hua)冰(bing)橋(qiao)橋(qiao)接"快高(gao)達五個數(shu)量(liang)級。其(qi)中具有毫米(mi)級立(li)柱(zhu)的樹脂(zhi)基(ji)底是(shi)采用摩(mo)方(fang)精密面投影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光(guang)刻（PμSL）技(ji)術(shu)（nanoArch^® S130，精度(du)：2μm）制(zhi)備(bei)而成(cheng)。

圖1. 靜(jing)電場(chang)梯度導致(zhi)的冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)，促進(jin)液(ye)滴間(jian)的凍結(jie)傳(chuan)播。

圖2展示(shi)了(le)包括 PTFE、PS、PET、TPU、尼(ni)龍、玻(bo)璃等常(chang)見材(cai)料(liao)表面(mian)均可觸(chu)發液(ye)滴間(jian)凍結(jie)傳(chuan)播現(xian)象，且冰(bing)針(zhen)的飛(fei)射(she)距(ju)離(li)與(yu)材料(liao)的本(ben)征(zheng)帶(dai)電性(xing)強(qiang)弱(ruo)成(cheng)正比(bi)；此(ci)外，該(gai)行(xing)為(wei)多種極性(xing)液(ye)體(ti)適(shi)用(yong)，包括自(zi)來(lai)水(shui)、酸(suan)、堿(jian)、鹽(yan)水(shui)、醇(chun)類等。

圖2. 引(yin)發冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)材(cai)料(liao)體(ti)系的普(pu)適(shi)性(xing)，飛(fei)射(she)距(ju)離(li)與(yu)材料(liao)的帶(dai)電性(xing)強(qiang)弱(ruo)成(cheng)正比(bi)。

圖3通(tong)過實(shi)驗和(he)Comsol模(mo)擬展(zhan)示(shi)了冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)的機理。首(shou)先(xian)，在(zai)水(shui)汽(qi)凝(ning)華(hua)作用(yong)下，冰(bing)針(zhen)在(zai)冰(bing)滴表面(mian)形(xing)成並持續(xu)生長(chang)，並在(zai)達到(dao)斷(duan)裂(lie)閾(yu)值(zhi)時瞬間(jian)“飛(fei)出"；冰(bing)針(zhen)斷(duan)裂(lie)點的臨界應力可(ke)由(you)Griffith 裂(lie)紋力(li)學(xue)模(mo)型解釋；冰(bing)針(zhen)的飛(fei)行(xing)軌(gui)跡(ji)受(shou)電場(chang)控(kong)制(zhi)，且飛(fei)行(xing)過程(cheng)中電荷(he)基(ji)本(ben)守(shou)恒(heng)，最(zui)終(zhong)接觸(chu)懸掛液(ye)滴或鄰近液(ye)滴，誘發(fa)凍結(jie)。冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)的最(zui)大距(ju)離(li)與(yu)液(ye)滴間(jian)電場(chang)強(qiang)度(du)呈(cheng)線性(xing)關系(xi)。

圖3. 靜(jing)電場(chang)下冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)的機理。

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)還實(shi)現了(le)凍結(jie)順(shun)序的編程(cheng)（遠(yuan)處(chu)液(ye)滴先凍，近處後凍），以(yi)及(ji)凍結(jie)路徑的定向控制(zhi)，為(wei)復(fu)雜(za)環境中的多點同(tong)步凍結(jie)(圖4A)、以及(ji)材料表(biao)面液(ye)滴群的快速(su)凍結(jie)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)的策略(圖4B-E)。

圖4. 可控(kong)及(ji)規模(mo)化(hua)的冰(bing)針(zhen)飛(fei)射(she)促進(jin)液(ye)滴群凍結(jie)。

總結(jie)：這(zhe)項研究不僅(jin)在(zai)實(shi)驗層(ceng)面(mian)觀(guan)測並驗(yan)證了(le)壹種(zhong)全(quan)新(xin)的液(ye)滴凍結(jie)傳(chuan)播機(ji)制，也在(zai)理論(lun)上(shang)建立(li)了電場(chang)誘(you)發(fa)冰(bing)針(zhen)射(she)出的力學模型(xing)。在(zai)更廣泛的應用前(qian)景(jing)中，這(zhe)壹機(ji)制(zhi)也為輸電線冰(bing)雪(xue)堆(dui)積調(tiao)控(kong)、雷(lei)暴(bao)雲(yun)中電場(chang)、冰(bing)粒(li)與(yu)超冷(leng)水(shui)滴間(jian)的復雜(za)交(jiao)互(hu)場(chang)景(jing)提(ti)供(gong)了(le)啟(qi)發。