香港理工大學王鉆開團隊：靜電觸發“冰針空中飛射”，揭示液滴凍結新機制

更新時間：2025-08-13

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從狂暴對流雷暴中砸落的冰雹，到機翼表面的頑固結冰，再到換熱器上的厚重霜層，液滴的結冰行為無處不在，并對自然現象與工程系統產生深遠影響。值得注意的是，液滴的冰凍并非孤立事件，而往往以上百乃至千計液滴的集群形式出現，形成連鎖凍結的宏觀效應。這一過程最常見于基材表面的冷凝結霜：當一個冷凝水滴首先結冰，其與周圍水滴立即形成水蒸氣濃度梯度。該冰滴猶如“蒸汽虹吸器"般吸附周邊水滴的水分子，并在自身表面沉積出冰枝，朝鄰近水滴方向生長，直至接觸并誘發后者的凍結——這一由冰橋生長驅動的連鎖反應，最終導致整片表面結霜。

至今，這種二維冰橋機制構成了大多數防結冰材料設計的理論基礎：通過調控表面潤濕性和微／納米拓撲結構來延緩冰橋形成與擴展，鮮少有人考慮表面電荷這一隱形卻普遍的影響因子。表面電荷作為聚合物、玻璃等介電材料固有的物理屬性，雖不可見卻能顯著改變局部電場分布，從而在液滴操控和能量收集等領域展示出巨大潛力。既有研究表明，表面電荷可驅動微顆粒的自清潔效應，并在寒冬中促使雪粒跳躍和遷移；由此引發的疑問是：表面電荷是否也以某種未曾察覺的方式，重塑液滴之間的冰橋形成與凍結傳播路徑？

香港理工大學的王鉆開教授團隊在《PNAS》以“How surface charges affect interdroplet freezing"為題，報道了一種全新液滴凍結傳播機制：帶電表面誘導“三維冰針"飛射，液滴間凍結速度較傳統的水蒸氣濃度梯度驅動的冰橋橋接快五個數量級，并可精準控制凍結路徑，從而開辟了電荷調控液滴凍結的全新維度。

在具有電性非均一結構的表面上（部分區域為不帶靜電的銅箔、部分為帶靜電能力強的PTFE）觀察到：凍結液滴會自發且持續“發射"冰針，穿越空氣空隙，觸發鄰近過冷水滴的凍結(圖1A-B)。這一現象不只限于二維平面，該現象中的“冰針"能在三維空間中形成新的空間傳播通道(圖1C-D)。此外，冰針觸發鄰滴凍結的速度比傳統“蒸汽擴散-凝華冰橋橋接"快高達五個數量級。其中具有毫米級立柱的樹脂基底是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch^® S130，精度：2μm）制備而成。

圖1. 靜電場梯度導致的冰針飛射，促進液滴間的凍結傳播。

圖2展示了包括 PTFE、PS、PET、TPU、尼龍、玻璃等常見材料表面均可觸發液滴間凍結傳播現象，且冰針的飛射距離與材料的本征帶電性強弱成正比；此外，該行為多種極性液體適用，包括自來水、酸、堿、鹽水、醇類等。

圖2. 引發冰針飛射材料體系的普適性，飛射距離與材料的帶電性強弱成正比。

圖3通過實驗和Comsol模擬展示了冰針飛射的機理。首先，在水汽凝華作用下，冰針在冰滴表面形成并持續生長，并在達到斷裂閾值時瞬間“飛出"；冰針斷裂點的臨界應力可由Griffith 裂紋力學模型解釋；冰針的飛行軌跡受電場控制，且飛行過程中電荷基本守恒，最終接觸懸掛液滴或鄰近液滴，誘發凍結。冰針飛射的最大距離與液滴間電場強度呈線性關系。

圖3. 靜電場下冰針飛射的機理。

研究團隊還實現了凍結順序的編程（遠處液滴先凍，近處后凍），以及凍結路徑的定向控制，為復雜環境中的多點同步凍結(圖4A)、以及材料表面液滴群的快速凍結提供了新的策略(圖4B-E)。

圖4. 可控及規模化的冰針飛射促進液滴群凍結。

總結：這項研究不僅在實驗層面觀測并驗證了一種全新的液滴凍結傳播機制，也在理論上建立了電場誘發冰針射出的力學模型。在更廣泛的應用前景中，這一機制也為輸電線冰雪堆積調控、雷暴云中電場、冰粒與超冷水滴間的復雜交互場景提供了啟發。

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