發現從過冷表面上落下的液滴，會以一種從未觀察到的方式凍結！
2020-10-18 博科園科學家發現，在過冷表面上落下的液滴會以一種以前從未觀察到的方式凍結。與眾所周知的晶體生長不同，較冷的表面會導致圓形冰鋒移動，這些鋒面從中心移到冰滴的邊緣。特文特大學和馬克斯·普朗克複雜流體動力學中心的科學家首次證明了這一效應，並在最新《美國國家科學院院刊》上對涉及的物理機制進行了解釋。當雨水落在仍然結冰的表面上時，它會在很短的時間內使道路非常滑。
這是一個液滴落在溫度低於熔點表面上的例子，因為它是「過冷的」。液滴的凍結和結晶使人們聯想到經常在雪花中觀察到的星形樹枝狀結構。然而，如果表面較冷，液滴不僅凍結得更快，而且機制也會改變。在足夠冷的表面，會出現一個顯著的現象：從液滴的中心開始，冰鋒向邊緣移動，而液滴仍在擴散。這種情況反覆發生，直到液滴完全凍結。
德克薩斯大學的研究人員，通過拍攝液滴的凍結過程觀察到了這一點，準確地說是在表面。雷射在界面上反射，並使用高速攝像機拍攝，這也稱為全內反射(TIR)，基於用於獲取指紋的相同方法。在實驗中，墜落的液滴是十六烷，熔點為18攝氏度。當表面溫度降低到低於這一點的11度時，就觀察到了這些波。在《美國國家科學院院刊》上發表的理論解釋中：
德克薩斯大學的科學家們表明，液滴在撞擊點，也就是中間是最冷的。晶體在其周圍形成，但同時，內部流體將它們推到邊界，這個過程不斷重複，直到整個液滴凍結。這項研究還顯示，表面溫度改變了凝固液滴附著在表面的方式，從而改變了它被「剝離」的難易程度。這項研究不僅提供了對凍結過程的基本見解，還可以幫助研究人員開發像飛機那樣的防冰表面。
可以改進利用熔融蠟固化的3D列印技術。還可以促進晶片製造中極紫外光刻技術(EUV)的發展。在那裡，凝固在鏡子上的熔融金屬液滴可能會阻礙整個過程，而且衝擊液滴的凍結或凝固在自然界和技術中無處不在。無論是落在過冷表面的雨滴；通常使用熔蠟的噴墨列印；添加劑製造或金屬生產過程；或者用於晶片生產的極紫外光刻(EUV)，其中熔化的錫用於產生EUV輻射。對於這些工業應用中許多對凝固過程的詳細了解至關重要。
研究通過採用凍結背景下的光學技術，即全內反射(TIR)，闡明了液滴衝擊過冷表面時凝固過程中的凍結動力學。發現，在足夠高的過冷度下，存在著一種特殊的凍結形態，它包括凍結鋒面從液滴中心到液滴邊界的順序平流。這一現象是通過將經典成核理論的元素與液滴尺度上的大尺度流體力學相結合，將傳統上完全分開的兩個子場結合在一起來研究。此外還發現冷凍薄片的自剝現象，這是由凝固過程中瞬時晶態的存在所驅動。
博科園｜研究/來自：特文特大學
參考期刊《美國國家科學院院刊》
DOI: 10.1073/pnas.1912406117
博科園｜科學、科技、科研、科普
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