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材料学院在冰的异质成核机理研究中取得系列进展

发布日期:2020-10-22
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水的结冰过程是自然界中常见但极其重要的物理化学过程。在微观层面上,尽管异质衬底表面不规则引起的冰晶化行为被普遍公认,但由于缺乏直观的证据和有效的实验方法,人们对气溶胶(以碳质颗粒为主)表面原子结构相关的结冰机制所知甚少。有鉴于此,亚搏全站app费林峰教授等借用高定向石墨材料代表大气烟尘(大气气溶胶的重要组成),用环境扫描电镜原位研究了冰晶在该材料表面的生长机理和动力学行为,在原子尺度上揭示了材料表面结构对于冰晶生长的影响机理。结果表明六方冰晶在石墨表面的成核生长过程中,沿着石墨表面的原子级台阶呈定向排列,形成有趣的链状结构。同时,受到水分子的输运与结晶动力学之间的竞争关系的影响,冰晶沿着台阶方向的生长表现出明显的加快。并且,实验现象从能量角度通过第一性原理密度泛函理论计算得到了解释和印证。

该工作近期以题为“Atomic Steps Induce the Aligned Growth of Ice Crystals on Graphite Surfaces” 的研究论文形式发表于国际著名期刊《Nano Letters》(IF11.238),材料学院博士生张洲洋为第一作者。论文一经发表,迅速受到国内知名科学媒体纳米人、“知社学术圈等的关注和重点介绍[①②]

实际上,冰和水的成核、生长过程与生命科学、大气科学、材料化学等中的许多重要现象息息相关。在此研究之外,费林峰课题组还利用先进的环境扫描电子显微技术针对水的相变做了一系列工作,包括对生物(竹叶)表面结构对水凝结的影响(Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 153702)、冰的晶体生长过程(Cryst. Growth Des. 2018, 18, 6602)的微观原位观察等。鉴于在相关领域的研究成果,课题组近期还应邀以综述文章的形式归纳总结了环境扫描显微技术在材料学上的应用 (Small Methods 2020, 4, 1900588) IF12.130)。

这些研究受国家自然科学基金、江西省自然科学基金、亚搏全站app多学科交叉基金等项目的支持,相关成果有望加强对环境科学中相关基础问题的理解及应用于各种新型防冰、除冰技术。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03132

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