微纳复合结构界面抗冻的异相成核机制

The phenomenon of icing has great effect on the daily life of our human being. The disaster of sleet causes not only economic loss, but also casualties. In recent years, micro/nano structure have aroused great concern for its application in the research area of interfacial anti-icing. The micro/nano structure could lower the adsorption of ice, reduce the residence time and the nucleation induction time of water droplet on it. The advantages of micro/nano structure over conventional strategies for anti-icing guarantee its great application potential. However, despite the remarkable progress made in the study of the antifreeze by micro/nano structure, quantitative theoretical studies are urgently needed to reveal its anti-freezing mechanism. According to the nucleation theories, the heterogeneous nucleation rate is effected by three important parameters: the effective contact area between water and solid substrate SArea, the contact angle of ice embryo m, and the normalized size factor of substrate R'. Based on the classical nucleation theory, this project intends to quantitatively study the nucleation rate, nucleation energy barrier and so on by molecular dynamics simulation and the controllable characterization method, which are expected to provide a theoretical basis for the design of micro/nano structure with better ice/freezing resistance.

结冰现象对人类社会有着很大影响，冰雪灾害所带来的不仅有经济损失，还有人员伤亡。近年，研究发现微纳复合结构材料相对于传统的抗冻方法有很大优势，成为界面抗冻的研究热点。尽管微纳复合结构材料抗冻的研究取得了令人瞩目的进展，对其抗冻的定量理论研究仍较为缺乏，导致人们无法深入理解其抗冻机制。由于异相成核较均相成核具有更低的能垒，因此，微纳复合结构界面抗冻的关键即为抑制固液界面处的异相成核速率。根据结晶成核相关理论，异相成核速率受三个重要参数的影响：冰晶核在基底上的接触角 m，固-液两相(水与基底)有效接触面积 SArea，以及基底表面结构尺寸 R'。本项目拟以异相成核基本理论为出发点，通过分子动力学模拟从分子尺度上定量研究微纳复合结构抗冻的成核速率、成核能垒等，并采用条件可控的抗冻表征方法验证，深入研究微纳复合结构的抗冻性能影响因素及异相成核的作用机制，为设计具有更好抗冻性能的微纳复合结构提供理论。

结冰现象对人类社会有着很大影响，冰雪灾害所带来的不仅有经济损失，还有人员伤亡。 近年，研究发现微纳复合结构材料相对于传统的抗冻方法有很大优势，成为界面抗冻的研究热点。尽管微纳复合结构材料抗冻的研究取得了令人瞩目的进展，对其抗冻的定量理论研究仍较为缺乏，导致人们无法深入理解其抗冻机制。由于异相成核较均相成核具有更低的能垒，因此微纳复合结构界面抗冻的关键即为抑制固液界面处的异相成核速率。根据结晶成核相关理论，异相成核速率受三个重要参数的影响：冰晶核在基底上的接触角m，固-液两相(水与基底) 有效接触面积SArea，以及基底表面结构尺寸R'。项目负责人课题组以异相成核基本理论为出发点，通过分子动力学模拟从分子尺度上定量计算了微纳复合结构抗冻的成核速率。结果表明，i) 固体基底的纳米柱子与过冷水滴接触的尺寸R与水结冰成核的临界尺寸rc共同决定了过冷水滴的结冰机制：若R > rc, 则过冷水滴的结冰为异相成核，反之则为均相成核；ii) 在R > rc的条件下，过冷水滴与微纳基底的实际固液接触面积与过冷水滴的成核诱导时间呈现出很好的反比关系。这些结论与经典成核理论的预期完美吻合。同时，在计算机模拟的结论基础上，项目申请人课题组又用实验方法合成尖端尺寸很小的微纳复合基底，采用条件可控的抗冻表征方法研究了过冷水滴在其表面的结冰成核过程，获得了具有优异抗冻性能的微纳复合基底，同时又进一步验证了计算机模拟的结果及经典成核理论的正确性。综上，项目负责人课题组按照项目申请书的计划，深入研究了微纳复合结构的抗冻性能影响因素及异相成核的作用机制，为设计具有更好抗冻性能的微纳复合结构提供了理论。