过冷液滴通常可以在自然界的表面上冻结，并对可能对技术效率和可靠性产生不利影响的行业产生广泛的影响。因此，超疏水表面是一种材料工程解决方案，可快速脱水并减少冰粘附，以形成有前途的抗结冰候选者。
然而，过冷液滴冻结的影响及其对液滴-基质相互作用的影响以及由此产生的跨疏冰表面的应用仍有待在物理和材料工程中探索。
在《自然物理学》的一份新报告中，亨利·兰姆利(Henry Lambley)和瑞士苏黎世联邦理工学院机械和加工工程研究小组研究了搁置在纹理表面上的冷冻过冷液滴。他们通过疏散周围的大气来诱导冻结，并确定促进冰形成所需的表面特性。
该团队通过平衡防润湿表面力与冻结现象触发的力来探索这些结果，以展示合理设计的促进冰排出的纹理。此外，他们还考虑了在大气压和零下温度下冻结的互补过程，以观察自下而上的冰扩散。通过这种方式，Lambley及其同事组装了一个合理的框架来研究过冷液滴的冰附着力，以设计和开发高效的防冰表面，用于生命科学和加工行业的广泛应用。
开发用于航空、基础设施和电力传输的超疏水表面
表面上的液滴冻结在自然界中很常见，有效地影响了运输、建筑和发电行业。在实验室和实践中产生防冰的现有方法是资源密集型的，依赖于化学品或高能耗。因此，研究人员的目标是为可持续的工业应用创造疏冰表面，延迟冻结，同时促进已经形成的冰的低附着力表面。为了实现这一目标，他们探索了液滴冷冻的物理学;快速反应的两步过程，即在物质冷却过程中温度暂时升高，然后缓慢结晶。
过程中释放的潜热会导致爆炸性汽化和悬浮、霜晕形成和级联冻结现象。此外，结晶过程中的体积膨胀会导致液滴自剥落和崩解。在这项工作中，研究人员研究了超疏水表面上超冷液滴在宽温度和压力范围内的冻结行为。这些成果为在航空、民用基础设施和电力传输等行业设计坚固的疏冰表面提供了蓝图。
了解超疏水表面上水滴冻结的动力学
在实验过程中，该团队通过软光刻技术在聚二甲基硅氧烷表面(一种有机硅前体聚合物)上设计了透明圆柱形微柱状纹理的规则阵列。此后，他们通过将Cassie-Baxter润湿状态的小体积水滴暴露在干燥的低压环境中，在环境温度下开始在环境室中冻结。研究期间采用的冷却方法有利于自由表面的成核。
在研究期间，科学家们专注于剖析液滴冷冻过程的内在特征。首先，他们观察到沉积在超疏水聚合物微柱表面上的过冷水滴的进展;每个序列都显示出相似性。然而，从自由表面的成核和液滴自变形开始，这些现象产生了三个结果。
该团队将第一个结果称为“刺穿”，其中液滴向下压缩以从Cassie-Baxter过渡到Wenzel润湿。其他过程显示出“排出行为”，因为液滴从表面抬离，留下干净的基质。在最后的观察过程中，液滴在回旋期间保持静止，并通过在液滴 - 空气界面的散射而消失，这是由于冰泥的形成。然而，随着结晶，研究小组注意到所有三个过程的体积膨胀到纹理中。
研究冷冻的影响
科学家们研究了改变表面纹理对冻结结果的影响，并探索了液滴形成过程中开始的成核角度。结果表明，成核诱导的液滴在回升过程中的对称性破坏有助于冻结机制。现有的研究还表明，液滴的蒸发速率在回升期间如何显着增加。
为了进一步分析压力测量和液滴蒸发建模，包括对蒸汽传输的动力学和扩散阻力，该团队使用了微型压力传感器。他们还研究了液滴和基材之间相互作用的粘附力和毛细管力。该团队通过在各种聚合物基质上进行冷冻实验，证明了所提出的建模系统的有效性以及观察到的方法的鲁棒性。
展望
通过这种方式，物理学家Henry Lambley及其同事观察到低压条件下超疏水表面上水滴冻结的三个结果。他们研究了液滴在反应过程中的驱动力和抵抗力，从而确定了一种设计纹理并实现强大的液滴排出的方法，他们在分层表面上的概念验证实验中证明了这一点。该团队揭示了表面防冰的机制，需要一定程度的过冷来证明这些现象。
这些结果在材料工程中具有广泛的应用，以促进航空，运输，能源和基础设施等行业中在各种环境压力和温度条件下形成疏冰表面。
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