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从过冷表面上落下的液滴能否以一种从未观察到的方式冻结?

科学家发现,在过冷表面上落下的液滴会以一种以前从未观察到的方式冻结。与众所周知的晶体生长不同,较冷的表面会导致圆形冰锋移动,这些锋面从中心移到冰滴的边缘。

科学家发现,在过冷表面上落下的液滴会以一种以前从未观察到的方式冻结。与众所周知的晶体生长不同,较冷的表面会导致圆形冰锋移动,这些锋面从中心移到冰滴的边缘。特文特大学和马克斯·普朗克复杂流体动力学中心的科学家首次证明了这一效应,并在最新《美国国家科学院院刊》上对涉及的物理机制进行了解释。当雨水落在仍然结冰的表面上时,它会在很短的时间内使道路非常滑。

从过冷表面上落下的液滴能否以一种从未观察到的方式冻结?

这是一个液滴落在温度低于熔点表面上的例子,因为它是“过冷的”。液滴的冻结和结晶使人们联想到经常在雪花中观察到的星形树枝状结构。然而,如果表面较冷,液滴不仅冻结得更快,而且机制也会改变。在足够冷的表面,会出现一个显著的现象:从液滴的中心开始,冰锋向边缘移动,而液滴仍在扩散。这种情况反复发生,直到液滴完全冻结。

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德克萨斯大学的研究人员,通过拍摄液滴的冻结过程观察到了这一点,准确地说是在表面。激光在界面上反射,并使用高速摄像机拍摄,这也称为全内反射(TIR),基于用于获取指纹的相同方法。在实验中,坠落的液滴是十六烷,熔点为18摄氏度。当表面温度降低到低于这一点的11度时,就观察到了这些波。在《美国国家科学院院刊》上发表的理论解释中:

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德克萨斯大学的科学家们表明,液滴在撞击点,也就是中间是最冷的。晶体在其周围形成,但同时,内部流体将它们推到边界,这个过程不断重复,直到整个液滴冻结。这项研究还显示,表面温度改变了凝固液滴附着在表面的方式,从而改变了它被“剥离”的难易程度。这项研究不仅提供了对冻结过程的基本见解,还可以帮助研究人员开发像飞机那样的防冰表面。

从过冷表面上落下的液滴能否以一种从未观察到的方式冻结?

可以改进利用熔融蜡固化的3D打印技术。还可以促进芯片制造中极紫外光刻技术(EUV)的发展。在那里,凝固在镜子上的熔融金属液滴可能会阻碍整个过程,而且冲击液滴的冻结或凝固在自然界和技术中无处不在。无论是落在过冷表面的雨滴;通常使用熔蜡的喷墨打印;添加剂制造或金属生产过程;或者用于芯片生产的极紫外光刻(EUV),其中熔化的锡用于产生EUV辐射。对于这些工业应用中许多对凝固过程的详细了解至关重要。

从过冷表面上落下的液滴能否以一种从未观察到的方式冻结?

研究通过采用冻结背景下的光学技术,即全内反射(TIR),阐明了液滴冲击过冷表面时凝固过程中的冻结动力学。发现,在足够高的过冷度下,存在着一种特殊的冻结形态,它包括冻结锋面从液滴中心到液滴边界的顺序平流。这一现象是通过将经典成核理论的元素与液滴尺度上的大尺度流体力学相结合,将传统上完全分开的两个子场结合在一起来研究。此外还发现冷冻薄片的自剥现象,这是由凝固过程中瞬时晶态的存在所驱动。

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