我院多尺度与能源材料热特性梯队褚福强副教授、冯妍卉教授及其国内外合作者在《Nature Communications》上发表题为“Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing”的文章。这是我院首次以第一单位在Nature子刊发表研究性论文。

盐水液滴结冰机理是海上舰船防冰、海上风电防冰、海水冷冻脱盐等领域的共性基础科学问题。相比于纯水滴结冰问题，由于盐离子掺杂与排斥的复杂性，全面理解盐水液滴结冰机理仍然是一项挑战。在这项工作中，全面探究了固体表面盐水液滴的结冰成核和枝晶生长机制，明确了盐水液滴结冰与纯水液滴结冰的关键区别。主要研究结论包括：（1）明晰了盐水液滴结冰的基本特征，其成核-再辉及冻结过程均表现为枝晶生长，枝晶生长伴随且受控于盐离子的排斥，且在共晶点以下盐水液滴无法全部结冰；（2）基于盐水液滴内部的温度变化，重新定义盐水液滴的结冰完成时刻为冻结阶段温度曲线的拐点时刻，并建立了理论模型预测盐水液滴结冰时间；（3）发现了盐水液滴顶端的液膜产生现象，该现象始于结冰完成时刻，可作为盐水液滴结冰完成的指示性特征；该液膜产生现象亦阻碍了结冰尖端的形成；（4）液膜产生后，液膜底部开始有冰晶“发芽”，冰芽逐渐生长，最终刺破液膜，形成特殊的盐水结冰形貌（类似于发芽的西红柿，如下图）；进而揭示了冰晶发芽现象的物理本质，其源于液膜气液界面的冷凝效应，受控于冷凝效应与固液界面析冰效应的竞争作用。上述现象的发现和机理的揭示对海水防除冰、冷冻脱盐等技术的发展，乃至海冰演化、霜花现象的理解均具有深远意义。

图1. (a) 盐水冰滴侧视图; (b) 盐水冰滴俯视图; (c) 发芽的西红柿.

褚福强，北京科技大学能环学院副教授，北京市青年托举人才、博新计划获选者。2013年本科毕业于北京科技大学热能与动力工程专业，2018年博士毕业于清华大学动力工程及工程热物理专业。长期致力于结冰与防除冰机理及技术、液滴动态行为及其调控、仿生功能表面及涂层技术等研究，担任国家自然科学基金青年基金、北京市自然科学基金面上/青年项目、“十四五”国家重点研发计划子课题、空间科学与应用项目子课题等科研项目负责人。由Springer出版社出版英文专著一部，以第一或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Physical Review Applied、Applied Physics Letters、International Journal of Heat and Mass Transfer等知名学术期刊发表SCI论文40余篇，Google学术总被引1700余次。

冯妍卉，北京科技大学能源与环境工程学院教授，博导，副院长，国家优青，北京市教学名师，教育部新世纪优秀人才，获国家科学技术进步奖一等奖等多种奖项。现为中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事、中国金属学会工程热物理专业委员会秘书长，北京热物理与能源工程学会理事等。长期从事微纳尺度传热、储能储热材料等方面研究工作。主持国家自然科学基金优青/重点/面上项目、国家重点研发计划课题等。出版专著/教材5部，以第一/通讯作者在Physics Reports、Nature Communications等国内外期刊发表论文两百余篇。