英文原题：Periodic burst freezing in a water-filled capillary tube
通讯作者：刘少宝，南京航空航天大学；卢天健，南京航空航天大学
作者：陶泽，万秀伟
背景介绍
水的凝固过程是生命科学和工程领域的研究热点之一。微尺度下，冰雹的形成、土壤冻结及液滴凝固等现象中，表面张力的影响尤为显著。而水在低温下的冻胀效应，不仅对建筑结构造成威胁，还在微流控设备、植物栓塞和组织器官冷冻保存等领域产生潜在影响。本研究揭示了一种在表面张力作用下，水在毛细管内冻结时独特的冻胀效应释放模式，即气-液界面通过周期性膨胀与破裂释放凝固产生的内压力。
文章亮点
通过高速显微成像系统观测到毛细管内水柱凝固过程中的鼓胀与破裂，位移与速度均呈现一定的周期性。最初，气-液界面向内凹陷。当温度降到冰点以下时，毛细管壁附近开始形成冰晶，冻胀效应导致气-液界面的凸起，当凸起达到临界尺寸时破裂，而水从凸起处排出。这个膨胀和破裂的过程重复六次，最终形成一个较小的凸起，在第七次完全冻结。
凸起被假定为一个圆弧且接触角测量为凸起与气-液界面之间的夹角，并依此建立准静态模型分析水球极限尺寸，通过三相接触点的静力学平衡获得鼓胀的临界接触角，并通过质量守恒求解鼓包的直径、周期性次数等关键参数。膨胀过程中，会形成波纹状的冰水界面。这是由于鼓胀达到极限破裂时，会重新附着在内壁上，导致自由端的冰层厚度始终为零。
总结/展望
本研究揭示了一种在表面张力作用下，水在毛细管内冻结时独特的冻胀效应释放模式，即气-液界面通过周期性膨胀与破裂释放凝固产生的内压力。具体来说，当水在低温下凝固时，由于水的密度减小，体积膨胀并试图将水推向自由端，但气-液界面的表面张力作用会阻碍水的释放，形成膨胀体。当膨胀体达到临界尺寸时破裂，并在破裂后继续重复此过程，直到完全凝固。通过分析三相接触线的表面张力平衡，我们确定了气-液界面鼓胀的临界接触角约为135°。研究表明，膨胀体的大小与毛细管的直径呈非线性关系，而周期性膨胀的次数与毛细管直径成反比。该研究为表面张力与冻胀效应之间的相互作用提供了新的见解，为理解冻胀过程中的尺度效应提供了重要指导。
作者简介
陶泽 博士研究生
陶泽：南京航空航天大学航空学院2022级博士研究生，导师卢天健教授，主要从事跨尺度含液多孔材料的热-流-固耦合研究；第一作者在IJHMT，ACS AMI，Langmuir 等发表论文6篇；主持江苏省研究生科研创新计划项目，全国重点实验室青年学生项目
卢天健 教授
卢天健：南京航空航天大学航空学院教授，长期致力于力学、材料学、传热学、声学、生命科学等学科的综合交叉基础和应用研究，我国超轻多孔材料和结构、生物组织热-力-电耦合学领域的主要学术带头人。入选国家重大人才工程A类、国家杰青等人才项目。发表500余篇国内外期刊，包括5篇NS子刊，22篇JMPS论文，Google引用39000余次（H因子94）；获国家自然科学二等奖1项、省部级科学技术一等奖2项（均排1），获中国青年科学奖奖、徐芝纶力学奖。
刘少宝 副研究员
刘少宝，南京航空航天大学航空学院副研究员。立足固体力学、生物力学以及力学医学前沿学科交叉领域，主要从事多孔介质热流固耦合理论、脑力学、细胞核力学研究，已在Appl. Mech. Rev., JMPS（8篇）, Nat. Commun., ACS Nano, IJMS, IJHMT, Nonlinear Dyn., 力学学报等国内外著名学术期刊上发表论文70余篇、英文专著章节2章。5篇被选为封面论文。授权发明专利4项。出版教材2部。
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ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, ASAP
https://doi.org/10.1021/acsami.4c15516
Published December 2, 2024
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Xing Yi Ling
Nanyang Technological University
Deputy Editor
Peter Müller-Buschbaum
Technische Universität München
ACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程
2-Year Impact Factor
CiteScore
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8.5
16
33.6
