基于温度场测量与微观结构分析的过冷液滴结冰研究

Freezing is a very common phenomenon in daily life, although it’s undesired in most cases. For instance, icing may cause communications blackout, destroy plants, and induce traffic accidents. In order to solve the freezing problem thoroughly, an in-depth understanding of physical nature of freezing is critical, but which is still lacking. Especially on some important problems, such as the heat production and conduction during freezing and the microstructure of supercooled water, no unified conclusions have been reached. Therefore, in this project, we will effort on investigating this crucial freezing process of supercooled droplet by combining fluorescence lifetime imaging confocal microscopy and 2-D X-ray diffraction with theoretical analysis. Our project mainly focuses on two parts: (1) to measure the temperature field deeply inside the droplet, and to analyze the heat production and conduction, so as to illustrate its influence on freezing dynamics; (2) to acquire micrstructure information of supercooled water with 2-D X-ray diffraction method, and to explore the molecular structures of water and ice. These investigations will help us to clarify the underlying physics of freezing, and to provide valuable suggestions for de-icing methods.

结冰过程在日常生活中经常发生，可多数情况下的结冰并不是人们所希望的，比如冰雪的覆盖容易导致通讯中断，农作物受损，冰雪路面容易引发交通事故。要想从根本上解决结冰带来的危害，需要从物理本质上对其深入了解，然而至今人们对于结冰过程的认识仍然有限。特别是结冰过程中液滴内部的热量产生与传导是怎样的？水的微观分子结构如何？这些重要的问题尚没有统一的结论。因此，本项目拟以过冷液滴作为研究对象，以荧光寿命共聚焦显微成像、二维X射线衍射等实验手段为主，配合理论分析，系统地研究在固体表面液滴凝结过程中涉及到的关键性物理问题。主要包括：（1）测量液滴内部温度场及其变化规律，分析热量的产生与传导机制，并阐明其与结冰动力学的关系；（2）利用二维X射线衍射手段获得过冷水的微观分子结构信息，理解结冰过程中水分子和冰晶的微观结构。本项目的开展将有助于深入理解结冰过程的物理本质，也有利于为现有的除冰策略提供有价值的建议。

结冰过程在日常生活中经常发生，可多数情况下的结冰并不是人们所希望的，比如冰雪的覆盖容易导致通讯中断，农作物受损，冰雪路面容易引发交通事故。要想从根本上解决结冰带来的危害，需要从物理本质上对其深入了解，然而至今人们对于结冰过程的认识仍然有限。特别是结冰过程中液滴内部的热量产生与传导是怎样的？水的分子结构如何？这些重要的问题尚没有统一的结论。因此，本项目拟以过冷液滴作为研究对象，以荧光寿命共聚焦显微成像、二维X射线衍射等实验手段为主，配合理论分析，系统地研究在固体表面液滴凝结过程中涉及到的关键性物理问题。主要包括：测量液滴内部温度场及其变化规律，分析热量的产生与传导机制，并阐明其与结冰动力学的关系；利用二维X射线衍射手段获得过冷水的分子结构信息，理解结冰过程中水分子和冰晶的微观结构。通过项目的实施，课题组利用荧光分子寿命成像技术对结冰的第二阶段进行研究，得到了冰水混合状态下液滴区域的温度分布。研究数据表明，冰水界面出现一个高温区域，温度甚至可达二十度以上，这一结果为进一步解开结冰的物理本质提供实验依据。课题组还利用上海同步辐射光源的小角X射线光束线站对结冰过程中的水分子动态结构演化进行探究。通过分析水分子特征尺度随着水滴的结冰或者融化发生的变化，得到水分子的微观结构的演化。本项目使得人们对于结冰过程的物理本质有了更深入的理解，同时也为现有的除冰策略提供有价值的建议。此外，课题组还通过控制环境压强，实现了疏水表面液滴的膨胀和蒸发定量调控，并通过对表面亲疏水改性，探索了复杂表面的液滴撞击，这些研究为自清洁表面的优化提供了设计思路。