在納米尺度上，水會(huì)以各種方式結(jié)冰，但并非所有方式都被完全理解。除其他好處外，更好地處理這些過(guò)程可能意味著天氣預(yù)報(bào)的重大改進(jìn)。為此，化學(xué)與環(huán)境工程助理教授 Amir Haji-Akbari 的實(shí)驗(yàn)室專注于一種稱為接觸冷凍的特別快速過(guò)程，在該過(guò)程中，大氣中過(guò)冷(低于冰點(diǎn)但未凍結(jié))的液滴與成核粒子——即促進(jìn)與其接觸的液體凍結(jié)的粒子。凍結(jié)發(fā)生的速度比浸入凍結(jié)過(guò)程要快得多——這是一種更常見的情況，當(dāng)溫度降低時(shí)，成核粒子已經(jīng)在液滴內(nèi)部。

結(jié)果最近發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》上。

究竟為什么會(huì)發(fā)生接觸性凍結(jié)如此之快，一直是科學(xué)家之間長(zhǎng)期存在的問題。在某一時(shí)刻，科學(xué)家認(rèn)為凍結(jié)是由碰撞引起的瞬態(tài)效應(yīng)引起的。后來(lái)的理論認(rèn)為，所謂的接觸線加速了凍結(jié)。那是當(dāng)粒子暴露于三相物質(zhì) - 蒸氣液體和固體粒子時(shí)。然而，實(shí)驗(yàn)表明這些都不是答案。

最近的研究表明，當(dāng)兩個(gè)粒子的表面彼此非常接近時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍結(jié)。Haji-Akbari 用他最近開發(fā)的一種稱為跳躍前向通量采樣的技術(shù)對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試，該技術(shù)準(zhǔn)確地說(shuō)明了系統(tǒng)的進(jìn)展——例如冰或雪的形成——即使模式可以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生顯著變化時(shí)間。通過(guò)這樣做，他的研究團(tuán)隊(duì)證明了表面的接近程度足以引起凍結(jié)，但僅限于某些情況。具體來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)液體容易表面凍結(jié)時(shí)才會(huì)發(fā)生這種情況。

“我們所展示的是，為了使這種更快的成核發(fā)生，汽-液界面附近的凍結(jié)也必須更快，即使這個(gè)液滴中沒有顆粒，”他說(shuō)。事實(shí)上，他們表明這種成核在表面凍結(jié)液體的超薄膜中發(fā)生得更快。

Haji-Akbari 說(shuō)，他們用于這項(xiàng)研究的理論方法可用于了解其他凍結(jié)過(guò)程，從而獲得可以更好地預(yù)測(cè)天氣的信息，并為材料科學(xué)家提供寶貴的見解。

“這些凍結(jié)事件的幾個(gè)組成部分尚不清楚，包括接觸性凍結(jié)，”他說(shuō)。“所以我們工作的下一步是能夠建立更好的模型，這可能會(huì)導(dǎo)致更準(zhǔn)確或可靠的預(yù)測(cè)。”

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