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    材料學院在冰的異質成核機理研究中取得系列進展

    發布日期:2020-10-22


    水的結冰過程是自然界中常見但極其重要的物理化學過程。在微觀層面上,盡管異質襯底表面不規則引起的冰晶化行為被普遍公認,但由于缺乏直觀的證據和有效的實驗方法,人們對氣溶膠(以碳質顆粒為主)表面原子結構相關的結冰機制所知甚少。有鑒于此,南昌大學材料學院費林峰教授等借用高定向石墨材料代表大氣煙塵(大氣氣溶膠的重要組成),用環境掃描電鏡原位研究了冰晶在該材料表面的生長機理和動力學行為,在原子尺度上揭示了材料表面結構對于冰晶生長的影響機理。結果表明六方冰晶在石墨表面的成核生長過程中,沿著石墨表面的原子級臺階呈定向排列,形成有趣的鏈狀結構。同時,受到水分子的輸運與結晶動力學之間的競爭關系的影響,冰晶沿著臺階方向的生長表現出明顯的加快。并且,實驗現象從能量角度通過第一性原理密度泛函理論計算得到了解釋和印證。

    該工作近期以題為“Atomic Steps Induce the Aligned Growth of Ice Crystals on Graphite Surfaces” 的研究論文形式發表于國際著名期刊《Nano Letters》(IF11.238),材料學院博士生張洲洋為第一作者。論文一經發表,迅速受到國內知名科學媒體納米人、“知社學術圈等的關注和重點介紹[①②]。

    實際上,冰和水的成核、生長過程與生命科學、大氣科學、材料化學等中的許多重要現象息息相關。在此研究之外,費林峰課題組還利用先進的環境掃描電子顯微技術針對水的相變做了一系列工作,包括對生物(竹葉)表面結構對水凝結的影響(Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 153702)、冰的晶體生長過程(Cryst. Growth Des. 2018, 18, 6602)的微觀原位觀察等。鑒于在相關領域的研究成果,課題組近期還應邀以綜述文章的形式歸納總結了環境掃描顯微技術在材料學上的應用 (Small Methods 2020, 4, 1900588) IF12.130)。

    這些研究受國家自然科學基金、江西省自然科學基金、南昌大學多學科交叉基金等項目的支持,相關成果有望加強對環境科學中相關基礎問題的理解及應用于各種新型防冰、除冰技術。

    原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03132

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