在一项新的研究中，研究人员在分子水平上观察到盐水滴的冻结，为除冰和防冰技术提供了新的见解。与传统观点相反，这些水滴不符合在纯水中观察到的典型冻结模式。

该研究小组的研究发表在《自然通讯》上，他们进行了实验，揭示了冰冻海水滴顶部形成的盐水(盐水)薄膜，这此前从未有过报道。

伴随着冰晶从盐水膜底部出现，冰晶不断生长直至刺穿液滴顶部，这种现象称为“冰萌芽”。这些均通过分子动力学(MD)模拟进行了验证

他们进一步进行了类似的实验来测量冰沉淀和凝结的速率，支持了所提出的机制。

纯水与盐水冷冻

纯水滴的冻结通常遵循一个众所周知的过程，其中水滴逐渐冷却直至达到冰点。然后，冰晶形成并生长，形成具有单一尖尖尖端的固体冰结构。

另一方面，盐水滴的冻结带来了额外的复杂性。当水滴冻结时，内部的盐浓度会影响冰点，通常会比纯水降低冰点。正如之前的研究报道，这也使得液滴的尖头消失。

结冰过程是指由于水滴冻结而在表面或物体上积聚冰，可能对导航、航空和基础设施等多个过程造成损害。

然而，盐水滴的行为引入了额外的考虑因素。盐水层的存在会影响冷冻液滴对表面的粘附，可能会影响防冰策略或旨在减轻结冰的表面涂层。

该研究的第一作者、北京科技大学副教授储富强博士向Phys.org讲述了他们的工作。

“我对结冰现象很好奇，并在攻读博士学位时开始研究它。但是，我认为直到现在人们还无法完全理解这种现象，特别是在使用二元液滴(例如咸液滴)时。”

“在这项工作中，我们研究了咸水滴冻结的过程，并试图发现咸水滴冻结与纯水滴相比的独特性，”楚博士说。

冷冻过程观察与分析

为了研究盐水的冻结过程，研究人员使用了不同盐浓度的盐水。他们使用半导体制冷模块来提供受控冷却，使他们能够将表面温度调整到液滴冰点以下。

将盐水滴注入实验表面，并在那里经历冷冻过程。使用高速显微照相术记录和分析结冰现象，包括冻结液滴顶部液膜的形成。

他们观察到冷冻的咸水滴中存在浓缩盐水，这表明冷冻不完全，这与纯水滴的冷冻不同。

根据温度测量，研究人员设计了一种预测咸水滴冻结持续时间的方法。他们将冷冻液滴顶部液膜的出现与冷冻过程的结束相关联，为冷冻时间的确定提供了视觉指示。

然后，MD模拟通过提供分子水平的视角来验证和补充实验结果，使研究人员能够了解驱动观察到的现象的潜在机制。

MD模拟旨在重现实验观察结果，并通过模拟纳米尺度的离子、水分子和冷冻界面的行为，为液滴冷冻过程中发生的分子相互作用提供更多见解。

冰发芽

研究人员观察到冷冻液滴顶部形成了盐水层。该层可防止形成尖头并保持液滴内稳定的温度。

“盐水膜形成后，一些冰晶开始在膜的底部发芽，这与种子发芽的过程非常相似。这种冰发芽的现象让我感到惊讶，让我感觉水滴是有生命的，孕育新生命。”楚博士说。

这种独特的现象导致盐水膜被刺穿，冰晶在空气中进一步生长。

冰芽现象是由潮湿空气条件下饱和盐水膜上的界面冷凝控制的。

换句话说，由于盐水膜的温度低于周围空气的露点(空气中水蒸气饱和的温度)，因此导致空气中的水蒸气在盐水膜的界面处凝结。

这种冷凝水稀释了盐水膜，破坏了其平衡或平衡。由于这种稀释，盐水膜变得过饱和，导致冰晶从膜内沉淀。盐水膜内形成的冰晶增加了盐浓度，从而使盐水膜在其温度下重新饱和。

“这表明在研究溶液的相变或结晶过程时，不能忽视环境湿度的影响，”楚博士补充道。

冷冻持续时间的通用定义

除了这两种观察到的现象之外，研究人员还提出了冻结持续时间的通用定义，用于量化不同盐浓度的液滴的结冰率。这是评价防冰表面和技术性能的重要参数。

“利用我们对咸水滴冻结持续时间的定义，研究人员或许能够定量评估其防冰方法针对咸水滴的性能。这可能有助于海洋防冰技术的发展。”朱博士解释道。

识别冷冻液滴顶部盐水膜的形成为研究人员提供了一种标记冷冻过程结束的标准化方法，从而更容易测量和比较液滴冷冻行为。

谈到防冰技术的潜在应用，朱博士提到降低冷冻盐水滴的粘附力。

“对于盐水滴来说，整个结冰过程表现为冰晶的随机生长，并且冰晶的缝隙中残留有浓盐水。”

“因此，冷冻盐水滴的粘附力不仅取决于接触面积，还与冰枝晶的生长方向和浓盐水的分布有关。这些可以通过调整成核(初始形成)位点的位置来控制以获得低冰粘附力，”楚博士解释道。