我院张志森助理教授在CHEM. SOC. REV.期刊发表综述论文-如何控制水的结冰

近日厦大物理科学与技术学院张志森助理教授在Chem. Soc. Rev.期刊,发表题为Control of ice nucleation: freezing and antifreeze strategies的综述论文。

水结冰在我们生活的各个方面都扮演着重要的角色,从自然气候到人类社会,从经济到医药行业,水结冰都大大影响着我们生活的环境和日常活动。如果南北极的冰都消融,海平面将升高十几米,人类文明,将遭受毁灭性的打击;在高空飞行的飞机,在机身或机翼上的结冰,将造以机毁人亡。尽管水结冰在自然界是一种常见的现象,但是我们对其结晶成核理解在最近几个世纪以来仍未达成共识。张博士团队的研究,深刻、全面地揭示了水结冰过程中,关键的成核机制。成核是结冰的第一步,没有冰晶成核,将永远没有冰晶结晶。成核现象,是由于水分子要组成冰晶体,必须跨越动力学势垒的动力过程。这一过程,将被外来杂质所大大加速(异相成核张博士的研究发现,由于理想的无杂质纯水的成核势垒非常之高,以至于在我们可预见的时间段里,永远无法看到理想纯水结冰。换句话说,水的成核结冰,都必须有杂质诱导。这一结果告诉我们,完全纯净的世界,是不存在的

根据张志森博士团队发展起来的结晶成核理论,影响异相成核速率的因素,除了与固液界面的界面能有关,还与界面粗糙度,有效接触面积SArea几何结构以及诱导的有序结构等因素有关该研究报告提出的颠覆性的全新概念为,在过冷度很小的情况下,任何外界诱导传统意义上异相成核机制都将完全失去作用,结冰将由类均相成核的新机制控制。在这种条件下,我们能够通过成核实验,精确地测量冰-水的界面自由能-公认的难以准确获得而又十分重要的参数。此外,在这一原理基础上,文中也提出了界面结构抗冻的新概念。为建筑物,飞机等抗冻,指明了全新的方向。综上所述,该论文从结晶成核的理论框架出发,有效地深入分析了在某一体系中影响水结冰成核的主要影响因素,同时也为进一步开发具有优异促进冰形成或防冻性能的设计策略提供了理论指导。

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论文引用:Control of ice nucleation: freezing and antifreeze strategies. Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 7116-7139. DOI: 10.1039/C8CS00626A

论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs/c8cs00626a

 

 

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1. 根据结晶成核理论,水结冰异相成核速率的影响因素。水结冰异相成核的过程受到成核能垒,纽结动力学,固液两相接触面积等因素,以及其共同作用的影响。