弱磁场影响水结晶过程的基础研究

This project will explore the influence of weak DC magnetic fields on the water crystallization process within the range of 0-200G from both micro and macro approaches. Non-equilibrium molecular dynamics model will be used to calculate the trajectory of the water molecules to obtain the changes of its internal energy, radial distribution function and hydrogen bonding structure under the magnetic field. Then the migration activation energy and nucleation barrier will be computed. The H-A bonds method will be adopted to investigate the change of cluster structures. Finally the formula for the nucleation rate and the crystal growth rate will be established and the crystallization diagram will be composed. According to the numerical simulation results, combined with the classical nucleation theory, non-isothermal differential scanning calorimetry (DSC) method will be used to obtain crystallization kinetics parameters. The new model for crystallization kinetics will be developed with a magnetic field correction factor to accurately predict the water crystallization process under the weak magnetic fields. Based on the crystallization diagram, using the low temperature microscopic visualization experimental device, the evolution of ice crystal morphology will be recorded. Using fractal dimension based on fractal theory to characterize the crystal morphology, a quantitative relationship between magnetic field strength and crystal morphology will be achieved. This research has great scientific significance and practical value, for it will not only provide basic understanding on the mechanism and laws of water crystallization under the weak magnetic field, but also provide theoretical support and design guide for the magnetic field assisted quick-frozen technology.

本项目拟探索0-200G范围内的弱直流磁场对水的结晶过程的影响，从微观和宏观两个方面进行全面的研究。采用非平衡分子动力学模型计算磁场影响下水分子的运动轨迹，获得其内能、径向分布函数和氢键结构等的变化，进而求得迁移活化能，并利用热力学成核法求得成核势垒，利用键型指数分析法考察晶簇结构的变化，建立成核速率和晶体生长速率计算式，构架析晶图。根据数值模拟结果，结合经典成核结晶理论，采用非等温DSC实验方法，求得结晶动力学有关参数，引入磁场修正因子，发展新的结晶动力学理论模型。根据析晶图，采用可视化低温显微实验装置，记录晶体形态的演变，依据分形理论获得能表征晶体形态的分形维数，建立磁场强度和晶体形态之间的定量关系。通过以上研究本项目将为弱磁场影响水结晶的机理和规律提供基础认知，为磁场辅助速冻技术提供理论支撑和设计依据，具有重要的科学意义和实用价值。

有效的控制食品的冻结过程对提高冻品的质量非常重要，因为冻结过程决定了冰晶的生长和结构。快速的冻结会产生较小的冰晶，对细胞损害较小，解冻后得到的食品质量较好。而附加各种物理场来改变冻结进程，控制冰晶的形态，则是当前亟需发展的新技术。各种物理场如超声波、电场和磁场都可以影响冻结过程，但是关于磁场对冷冻过程的研究较少，本项目在自行搭建的磁场辅助快速冷冻实验平台上进行了磁场作用下水和溶液冷冻过程的研究。磁场辅助速冻技术是一种新型的快速冷冻技术，但是目前对于该技术的机理缺乏研究，制约了该技术的发展。本项目从宏观和微观两个方面进行了研究，探寻弱磁场作用下水和溶液的冷冻过程和结晶规律的变化。微观角度拟采用实验捕捉结晶图像，分析磁场对冰晶形态的影响。宏观角度采用实验手段研究不同磁场作用下水（溶液）的冻结过程，获得其冻结曲线，运用统计方法归纳出磁场对上述参数的影响规律，为磁场速冻技术提供理论指导。采用亥姆霍兹线圈产生匀强磁场,研究了弱直流磁场对去离子水、生理盐水和乙二醇水溶液的冷冻过程进行了研究。实验结果表明磁场可以增加生理盐水过冷度，提高过冷时间，缩短相变时间；但是磁场反而减小了乙二醇溶液的过冷度，不同强度的磁场可能增加或缩短相变时间。这一现象归结于乙二醇和生理盐水化学结构的不同。通过对弱磁场作用下去离子水和蔗糖溶液结晶图像的研究，结果发现弱直流磁场改变了去离子水和蔗糖溶液中冰晶的形态。冰晶由无磁场下的长棒状变为圆润的花瓣状，该发现可以解释磁场影响速冻过程的机理-圆润的冰晶可以减少冻结过程中冰晶对细胞的破坏作用。上述发现可以为磁场应用于冻结过程提供支持，为控制冰晶的生成提供新的方法。