冰的可控形成

全球变暖已导致极端气候现象发生得更加频繁，程度也更加剧烈。例如在2016年初袭击美国东部的大规模暴风雪，落在地上的雪最终形成积冰。固体表面结冰是日常生活中常见的现象，但也以相当多的方式影响着工业与自然系统。近日，台湾新竹交通大学机械系的吕明璋（点击查看介绍）老师团队成功利用改变固体表面的局部粗糙度达到控制结霜位置以及成核密度的目的，并以调整微结构形状来控制冰的成核动力学，该研究结果可用来开发新型的抗冰表面。

固体表面结冰会为工业系统、基础建设带来许多严重的问题，如降低热交换器的性能、损害农作物及导致电力线路短路或损毁等。由于超疏水表面具有超低的水吸附性，可成为潜在的抗冰策略，近年来应用超疏水微纳米结构表面来预防表面结冰已引起越来越多的关注。一般来说，冰可以两种形式在固体表面形成：水蒸气于固体表面先冷凝后结冰，称之为冷凝冷冻过程；第二种方式是结霜过程，是指水蒸气在固体表面直接形成冰晶的现象。虽然超疏水表面可应用于冷凝冷冻过程，但在固体表面结霜时，冰会在表面的不同位置形成，当表面被冰霜覆盖时会使超疏水表面失去抗冰效果，因而无法避免固体表面在非常低的温度下发生结霜。

吕教授指出，有效减轻结霜对表面影响的方法是控制结霜的位置并立即除霜。原则上，固体表面的成核能垒随机分布，故冰在普通表面的成核位置也是随机的。成核的位置受成核自由能决定，成核能垒取决于表面化学势能及粗糙度，故通过改变表面的粗糙度，理论上可以控制成核的位置。在最近的ACS Nano 中，吕教授带领的研究团队首次利用改变固体表面的局部粗糙度来控制结霜过程中冰晶的成核位置。

该研究团队以环境扫描式电子显微镜（ESEM）分析平滑表面、硅纳米线阵列表面、梯形微沟槽表面及V形微沟槽表面的动态结霜及除霜的情形。由于光滑硅表面及硅纳米线阵列表面粗糙度的随机性，冰的胚胎在这两种表面呈随机分布，相比于光滑硅表面，硅纳米线阵列表面的大量孔穴可大幅度增加成核密度。另一方面，在微沟槽表面的微沟槽可局部降低成核自由能垒，使冰晶仅在微沟槽处成核。其成核密度可通过改变微沟槽的数目调整。

除了可控制冰在沟槽处成核外，V形微沟槽表面可同时控制冰的基底面沿着V形沟槽方向整齐成长；与此相反，冰晶面在梯形微沟槽表面的沟槽上则没有方向性，这种现象受尖角效应的影响。以往的研究表明晶体成核的动力学可以通过其结构形状来调节。在微沟槽表面沟槽内的尖角可促进成核，由于V形沟槽只有一个明确的尖角，故我们观察到冰核的基底面沿着V形沟槽规律地排列，且仅沿着沟槽以相同晶格方向成长；而在梯形微沟槽内至少有两个尖角，冰晶的晶格成长方向在梯形微沟槽内随机分布。

该研究表明，这种控制冰成核位置以及限制冰晶成长动力学的方法可以有效增强超疏水表面的抗霜以及除霜能力。V型沟槽表面分别在结霜及除霜实验中具有最长的结霜时间（冰覆盖全部表面所需要的时间）以及最短的等待时间（关闭制冷器后冰覆盖整个表面的时间），这一结果意味着V型沟槽表面具有最好的抗冰与除冰效果。相关成果发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是交通大学机械博士后研究员罗景文。

该论文作者为：Ching-Wen Lo, Venkataraman Sahoo and Ming-Chang Lu

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Control of Ice Formation

ACS Nano, 2017, 11, 2665, DOI: 10.1021/acsnano.6b07348

吕明璋博士简介

吕明璋，新竹交通大学机械系副教授，2002年至2006年于台湾工业技术研究院绿能与环境研究所工作，2010年在加州大学伯克利分校获得机械工程博士学位；2010年起就职于台湾新竹交通大学，现为台湾新竹交通大学机械系副教授兼副系主任。吕教授于2015年获理论与应用力学学会杰出青年学者奖、科技部吴大猷先生纪念奖，近期的文章发表于ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials、Proceedings of the National Academy Sciences、ACS Applied Materials and Interfaces、Nanoscale 以及International Journal of Heat and Mass Transfer 等。

吕明璋

http://www.x-mol.com/university/faculty/44732

团队主页

http://nanoenergylab.weebly.com/

繁體中文版本：

冰的可控形成

全球變暖已導致極端氣候現象發生得更加頻繁，程度也更加劇烈。例如在2016年初襲擊美國東部的大規模暴風雪，落在地上的雪最終形成積冰。固體表面結冰是日常生活中常見的現象，但也以相當多的方式影響著工業與自然系統。近日，臺灣新竹交通大學機械系的呂明璋老師團隊成功利用改變固體表面的局部粗糙度達到控制結霜位置以及成核密度的目的，並以調整微結構形狀來控制冰的成核動力學，該研究結果可用來開發新型的抗冰表面。

固體表面結冰會為工業系統、基礎建設帶來許多嚴重的問題，如降低熱交換器的性能、損害農作物及導致電力線路短路或損毀等。由於超疏水錶面具有超低的水吸附性，可成為潛在的抗冰策略，近年來應用超疏水微納米結構表面來預防表面結冰已引起越來越多的關注。一般來說，冰可以兩種形式在固體表面形成：水蒸氣於固體表面先冷凝後結冰，稱之為冷凝冷凍過程；第二種方式是結霜過程，是指水蒸氣在固體表面直接形成冰晶的現象。雖然超疏水表面可應用於冷凝冷凍過程，但在固體表面結霜時，冰會在表面的不同位置形成，當表面被冰霜覆蓋時會使超疏水表面失去抗冰效果，因而無法避免固體表面在非常低的溫度下發生結霜。

呂教授指出，有效減輕結霜對表面影響的方法是控制結霜的位置並立即除霜。原則上，固體表面的成核能壘隨機分佈，故冰在普通表面的成核位置也是隨機的。成核的位置受成核自由能決定，成核能壘取決於表面化學勢能及粗糙度，故通過改變表面的粗糙度，理論上可以控制成核的位置。在最近的ACS Nano 中，呂教授帶領的研究團隊首次利用改變固體表面的局部粗糙度來控制結霜過程中冰晶的成核位置。

該研究團隊以環境掃描式電子顯微鏡（ESEM）分析平滑表面、矽納米線陣列表面、梯形微溝槽表面及V形微溝槽表面的動態結霜及除霜的情形。由於光滑矽表面及矽納米線陣列表面粗糙度的隨機性，冰的胚胎在這兩種表面呈隨機分佈，相比於光滑矽表面，矽納米線陣列表面的大量孔穴可大幅度增加成核密度。另一方面，在微溝槽表面的微溝槽可局部降低成核自由能壘，使冰晶僅在微溝槽處成核。其成核密度可通過改變微溝槽的數目調整。

除了可控制冰在溝槽處成核外，V形微溝槽表面可同時控制冰的基底面沿著V形溝槽方向整齊成長；與此相反，冰晶面在梯形微溝槽表面的溝槽上則沒有方向性，這種現象受尖角效應的影響。以往的研究表明晶體成核的動力學可以通過其結構形狀來調節。在微溝槽表面溝槽內的尖角可促進成核，由於V形溝槽只有一個明確的尖角，故我們觀察到冰核的基底面沿著V形溝槽規律地排列，且僅沿著溝槽以相同晶格方向成長；而在梯形微溝槽內至少有兩個尖角，冰晶的晶格成長方向在梯形微溝槽內隨機分佈。

該研究表明，這種控制冰成核位置以及限制冰晶成長動力學的方法可以有效增強超疏水表面的抗霜以及除霜能力。V型溝槽表面分別在結霜及除霜實驗中具有最長的結霜時間（冰覆蓋全部表面所需要的時間）以及最短的等待時間（關閉製冷器後冰覆蓋整個表面的時間），這一結果意味著V型溝槽表面具有最好的抗冰與除冰效果。相關成果發表在ACS Nano 上，文章的第一作者是交通大學機械博士後研究員羅景文。

呂明璋博士簡介

呂明璋，新竹交通大學機械系副教授，2002年至2006年於臺灣工業技術研究院綠能與環境研究所工作，2010年在加州大學伯克利分校獲得機械工程博士學位；2010年起就職於臺灣新竹交通大學，現為臺灣新竹交通大學機械系副教授兼副系主任。呂教授于2015年獲理論與應用力學學會傑出青年學者獎、科技部吳大猷先生紀念獎，近期的文章發表於ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials、Proceedings of the National Academy Sciences、ACS Applied Materials and Interfaces、Nanoscale 以及International Journal of Heat and Mass Transfer 等。