香港理工大学王钻开教授团队：静电触发“冰针空中飞射”，揭示液滴冻结新机制

摘要：从狂暴对流雷暴中砸落的冰雹，到机翼表面的顽固结冰，再到换热器上的厚重霜层，液滴的结冰行为无处不在，并对自然现象与工程系统产生深远影响。值得注意的是，液滴的冰冻并非孤立事件，而往往以上百乃至千计液滴的集群形式出现，形成连锁冻结的宏观效应。这一过程最常见于基材表面

从狂暴对流雷暴中砸落的冰雹，到机翼表面的顽固结冰，再到换热器上的厚重霜层，液滴的结冰行为无处不在，并对自然现象与工程系统产生深远影响。值得注意的是，液滴的冰冻并非孤立事件，而往往以上百乃至千计液滴的集群形式出现，形成连锁冻结的宏观效应。这一过程最常见于基材表面的冷凝结霜：当一个冷凝水滴首先结冰，其与周围水滴立即形成水蒸气浓度梯度。该冰滴犹如“蒸汽虹吸器”般吸附周边水滴的水分子，并在自身表面沉积出冰枝，朝邻近水滴方向生长，直至接触并诱发后者的冻结——这一由冰桥生长驱动的连锁反应，最终导致整片表面完全结霜。

至今，这种二维冰桥机制构成了大多数防结冰材料设计的理论基础：通过调控表面润湿性和微／纳米拓扑结构来延缓冰桥形成与扩展，鲜少有人考虑表面电荷这一隐形却普遍的影响因子。表面电荷作为聚合物、玻璃等介电材料固有的物理属性，虽不可见却能显著改变局部电场分布，从而在液滴操控和能量收集等领域展示出巨大潜力。既有研究表明，表面电荷可驱动微颗粒的自清洁效应，并在寒冬中促使雪粒跳跃和迁移；由此引发的疑问是：表面电荷是否也以某种未曾察觉的方式，重塑液滴之间的冰桥形成与冻结传播路径？

香港理工大学的王钻开教授团队在《PNAS》以“How surface charges affect interdroplet freezing”为题，报道了一种全新液滴冻结传播机制：带电表面诱导“三维冰针”飞射，液滴间冻结速度较传统的水蒸气浓度梯度驱动的冰桥桥接快五个数量级，并可精准控制冻结路径，从而开辟了电荷调控液滴冻结的全新维度。

在具有电性非均一结构的表面上（部分区域为不带静电的铜箔、部分为带静电能力强的PTFE）观察到：冻结液滴会自发且持续“发射”冰针，穿越空气空隙，触发邻近过冷水滴的冻结(图1A-B)。这一现象不只限于二维平面，该现象中的“冰针”能在三维空间中形成新的空间传播通道(图1C-D)。此外，冰针触发邻滴冻结的速度比传统“蒸汽扩散-凝华冰桥桥接”快高达五个数量级。其中具有毫米级立柱的树脂基底是采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度：2μm）制备而成。

图1. 静电场梯度导致的冰针飞射，促进液滴间的冻结传播。

图2展示了包括 PTFE、PS、PET、TPU、尼龙、玻璃等常见材料表面均可触发液滴间冻结传播现象，且冰针的飞射距离与材料的本征带电性强弱成正比；此外，该行为多种极性液体适用，包括自来水、酸、碱、盐水、醇类等。

图2. 引发冰针飞射材料体系的普适性，飞射距离与材料的带电性强弱成正比。

图3通过实验和Comsol模拟展示了冰针飞射的机理。首先，在水汽凝华作用下，冰针在冰滴表面形成并持续生长，并在达到断裂阈值时瞬间“飞出”；冰针断裂点的临界应力可由Griffith 裂纹力学模型解释；冰针的飞行轨迹完全受电场控制，且飞行过程中电荷基本守恒，最终接触悬挂液滴或邻近液滴，诱发冻结。冰针飞射的最大距离与液滴间电场强度呈线性关系。