【高速攝影】解析冰晶生成機制：UBC於聚丙烯表面成核研究案例 發佈日期 2026-05-06
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預測水在疏水性塑膠（例如聚丙烯）上如何以及在何處開始結冰，對大氣科學、防冰材料和低溫保存研究具有廣泛的意義。傳統理論認為，結冰可能始於平坦的固-液界面，但尚不清楚宏觀和微觀塑膠表面上的結冰是由哪個位置引起的。這種理解上的空白使得設計具有可控冰形成行為的表面以及預測塑膠顆粒如何引發大氣雲滴結冰變得困難。
研究團隊
由 Paul Bieber、Teresa M. Seifried、William Bae、Allan K. Bertram 和 Nadine Borduas-Dedekind 領導的不列顛哥倫比亞大學研究小組對這個問題進行了詳細的實驗研究，該研究成果發表在Langmuir (2025) 上。
解決方案
為了揭示主要的凍結機制，研究團隊在超冷條件下（低至-30°C），對宏觀聚丙烯薄片和微觀聚丙烯纖維上的水滴進行了可控冷卻實驗。他們使用Chronos 1.4高速攝影機，以≥2100幀/秒的幀率進行拍攝，從而能夠精確觀察冰核形成的位置和方式，並區分了以下幾種凍結起始點：
這種時間分辨成像方法為冰形成的最初瞬間提供了獨特的視覺記錄——這種現象發生得太快，無法用常規方法觀察。
主要發現
冰核的形成絕大多數發生在三相接觸線。對於聚丙烯薄片上的標準 10 µL 液滴，接觸線成核的發生率約為 90%。
在聚丙烯微纖維上使用非常小的液滴（例如，~5 nL）進行的實驗中，冰在接觸線處成核的次數比在微纖維-水界面處成核的次數高 3.5 倍。
冷卻過程中接觸角的測量結果表明，接觸線始終固定在塑膠表面。這種「黏滯」的接觸線可能存在局部壓力波動，從而影響凍結的開始。
概括
高速影像顯示，聚丙烯表面上的冰幾乎總是在三相接觸線（固體、液體和空氣相遇的地方）處成核，而不是在液體內部或平面界面處成核。
如果沒有高速視訊拍攝，區分成核位點就只能依賴間接假設。透過將事件慢放至每秒數千幀，研究人員獲得了凍結起源的直接視覺證據。這項技術對於以下方面至關重要：
高速成像技術能夠對超出人類感知範圍的超快介面物理事件進行可測量、可重複的洞察。
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