香港理工大學王鉆開團隊：靜電觸發(fā)“冰針空中飛射”，揭示液滴凍結(jié)新機制

更新時間：2025-08-13

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從狂暴對流雷暴中砸落的冰雹，到機翼表面的頑固結(jié)冰，再到換熱器上的厚重霜層，液滴的結(jié)冰行為無處不在，并對自然現(xiàn)象與工程系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響。值得注意的是，液滴的冰凍并非孤立事件，而往往以上百乃至千計液滴的集群形式出現(xiàn)，形成連鎖凍結(jié)的宏觀效應。這一過程最常見于基材表面的冷凝結(jié)霜：當一個冷凝水滴首先結(jié)冰，其與周圍水滴立即形成水蒸氣濃度梯度。該冰滴猶如“蒸汽虹吸器"般吸附周邊水滴的水分子，并在自身表面沉積出冰枝，朝鄰近水滴方向生長，直至接觸并誘發(fā)后者的凍結(jié)——這一由冰橋生長驅(qū)動的連鎖反應，最終導致整片表面結(jié)霜。

至今，這種二維冰橋機制構(gòu)成了大多數(shù)防結(jié)冰材料設計的理論基礎：通過調(diào)控表面潤濕性和微／納米拓撲結(jié)構(gòu)來延緩冰橋形成與擴展，鮮少有人考慮表面電荷這一隱形卻普遍的影響因子。表面電荷作為聚合物、玻璃等介電材料固有的物理屬性，雖不可見卻能顯著改變局部電場分布，從而在液滴操控和能量收集等領域展示出巨大潛力。既有研究表明，表面電荷可驅(qū)動微顆粒的自清潔效應，并在寒冬中促使雪粒跳躍和遷移；由此引發(fā)的疑問是：表面電荷是否也以某種未曾察覺的方式，重塑液滴之間的冰橋形成與凍結(jié)傳播路徑？

香港理工大學的王鉆開教授團隊在《PNAS》以“How surface charges affect interdroplet freezing"為題，報道了一種全新液滴凍結(jié)傳播機制：帶電表面誘導“三維冰針"飛射，液滴間凍結(jié)速度較傳統(tǒng)的水蒸氣濃度梯度驅(qū)動的冰橋橋接快五個數(shù)量級，并可精準控制凍結(jié)路徑，從而開辟了電荷調(diào)控液滴凍結(jié)的全新維度。

在具有電性非均一結(jié)構(gòu)的表面上（部分區(qū)域為不帶靜電的銅箔、部分為帶靜電能力強的PTFE）觀察到：凍結(jié)液滴會自發(fā)且持續(xù)“發(fā)射"冰針，穿越空氣空隙，觸發(fā)鄰近過冷水滴的凍結(jié)(圖1A-B)。這一現(xiàn)象不只限于二維平面，該現(xiàn)象中的“冰針"能在三維空間中形成新的空間傳播通道(圖1C-D)。此外，冰針觸發(fā)鄰滴凍結(jié)的速度比傳統(tǒng)“蒸汽擴散-凝華冰橋橋接"快高達五個數(shù)量級。其中具有毫米級立柱的樹脂基底是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch^® S130，精度：2μm）制備而成。

圖1. 靜電場梯度導致的冰針飛射，促進液滴間的凍結(jié)傳播。

圖2展示了包括 PTFE、PS、PET、TPU、尼龍、玻璃等常見材料表面均可觸發(fā)液滴間凍結(jié)傳播現(xiàn)象，且冰針的飛射距離與材料的本征帶電性強弱成正比；此外，該行為多種極性液體適用，包括自來水、酸、堿、鹽水、醇類等。

圖2. 引發(fā)冰針飛射材料體系的普適性，飛射距離與材料的帶電性強弱成正比。

圖3通過實驗和Comsol模擬展示了冰針飛射的機理。首先，在水汽凝華作用下，冰針在冰滴表面形成并持續(xù)生長，并在達到斷裂閾值時瞬間“飛出"；冰針斷裂點的臨界應力可由Griffith 裂紋力學模型解釋；冰針的飛行軌跡受電場控制，且飛行過程中電荷基本守恒，最終接觸懸掛液滴或鄰近液滴，誘發(fā)凍結(jié)。冰針飛射的最大距離與液滴間電場強度呈線性關系。

圖3. 靜電場下冰針飛射的機理。

研究團隊還實現(xiàn)了凍結(jié)順序的編程（遠處液滴先凍，近處后凍），以及凍結(jié)路徑的定向控制，為復雜環(huán)境中的多點同步凍結(jié)(圖4A)、以及材料表面液滴群的快速凍結(jié)提供了新的策略(圖4B-E)。

圖4. 可控及規(guī)模化的冰針飛射促進液滴群凍結(jié)。

總結(jié)：這項研究不僅在實驗層面觀測并驗證了一種全新的液滴凍結(jié)傳播機制，也在理論上建立了電場誘發(fā)冰針射出的力學模型。在更廣泛的應用前景中，這一機制也為輸電線冰雪堆積調(diào)控、雷暴云中電場、冰粒與超冷水滴間的復雜交互場景提供了啟發(fā)。