聚电解质刷表面离子特异性对冰成核的影响

Ion specificity, which affects ice heterogeneous nucleation of supercooled water, provides a crucial factor in a variety of areas such as cloud seeding and snow making, cryopreservation of cells and tissues, atmospheric and environmental effects. Due to the lack of stable experimental systems with strong ion specificity and proper characterization, most of the researches are based on computer simulations, on the contrary, the experimental data are limited. In this project, we will choose polyelectrolyte brushes with different counterions to investigate the effect of ion specificity on ice nucleation process through a designed process of evaporation-condensation-icing. Meanwhile, the combination of methods including polarization modulation infrared reflection absorption spectroscopy, 2-D grazing incident wide angle x-ray scattering spectroscopy and neutron reflection spectroscopy will be explored to characterize the surface ion charge, valence, size, distribution, hydration, ion pairing effect and water orientation. Based on these investigations, we may answer the question that how the interaction of ion and water near such surfaces affects the heterogeneous nucleation process of ice. This project will promote not only the application of polyelectrolyte brushes, but also the development of novel anti-icing materials.

离子特异性对过冷水成核变冰的影响，是人工降雨和造雪、细胞及器官冷冻保存、大气与环境效应等诸多实际应用领域中的核心问题。目前为止，由于缺乏具有强离子效应且功能稳定的表面材料和有效的实验方法，导致离子特异性对冰成核的作用研究只局限于理论计算与模拟，而实验证据却严重不足。针对这一问题，本项目选取具有不同抗衡离子的聚电解质刷为研究体系，采用蒸发-冷凝-结冰的方法，研究表面离子特异性对界面诱导过冷水成核结冰过程的影响。同时，结合偏振调制红外反射吸收光谱、二维掠入射广角x-ray散射和中子反射等表面微观表征方法，从分子层面探究离子电性、价态、大小、分布、水合状态、离子对相互作用以及界面水分子取向等性质与过冷水成核变冰过程的内在关系。本项目的开展对进一步拓展聚电解质刷的应用和防冰界面材料的开发都具有重要的理论指导意义。

冰晶在物质表面的形成包括异相成核与冰晶生长传递两个过程。冰晶在离子表面的成核与传递过程在大气溶胶与生物膜表面是极其常见且重要的现象。尽管该现象在卷云的形成，细胞、组织与器官的形成中具有重要意义，但是目前关于冰晶形成的离子特异性问题依然没有解决。由于不同抗衡离子能够在聚电解质刷表面置换，通过研究不同反离子聚电解质刷表面的结冰温度，我们首次给出了影响冰点的离子序列，并发现其与经典的Hofmeister序列吻合。通过调控不同反离子种类，聚电解质刷表面结冰的温度窗口能够调控达7.8°C。通过对刷子表面的界面水的结构与动力学进行模拟发现，表面类冰水的数量受到不同离子的影响，类冰水越多，结冰能力越强。与此同时，我们通过层层自组装的方法制备了聚电解质多层膜，并研究了聚电解质多层膜表面的冰晶传递问题。我们发现聚电解质多层膜表面的冰晶传递速率受到最外层含水量的影响，最外层含水量越高，冰晶传递速率越快。通过改变外层膜种类，反离子种类，制备条件等，我们能够调控不同聚电解质多层膜表面的冰晶传递速率差异达到三个数量级。本项目的实施将促进控制冰晶成核与传递的材料研发更深层次的发展。