昆山友碩新材料有限公司
昆山友碩新材料有限公司
閱讀：401發(fā)布時間：2025-11-19
西湖大學(xué)數(shù)字孔隙介質(zhì)實驗室科研團隊利用蔡司X射線顯微鏡( XRM )和原位溫控裝置，實現(xiàn)了對鹽水凍結(jié)全過程的4D(3D + 時間)動態(tài)觀測。研究成果發(fā)表在《Journal of Fluid Mechanics》。通過蔡司X射線顯微鏡多時間狀態(tài)下的三維成像，揭示了冰晶生長與鹽水排擠的實時演化，發(fā)現(xiàn)了“鹽水柱"、“鹽水裙"等獨特的三維微結(jié)構(gòu)，并闡明了其隨時間遷移與形態(tài)演變的規(guī)律。這一成果為深入理解海冰形成、冷凍脫鹽及低溫保存等過程提供了新的微觀視角。
蔡司X射線顯微鏡憑借其高分辨率、非破壞性三維成像能力，正幫助科研人員探索更多復(fù)雜體系中的動態(tài)微觀機制，推動科學(xué)研究進入動態(tài) 4D 成像的維度。
鹽水凍結(jié)過程在眾多自然與工業(yè)過程中具有重要意義，但對微尺度鹽 - 冰結(jié)構(gòu)演變及微觀排鹽機理的研究仍有待深入。過往研究多集中于低溫條件下的二維凍結(jié)演化觀察，或三維終態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，對于三維微觀凍結(jié)演化軌跡仍缺乏動態(tài)解析手段。
在本研究基于微斷層掃描技術(shù)(Micro-CT)和自制的原位裝置(圖1)，實現(xiàn)對“冰晶生長排鹽溶質(zhì)"過程的全流程4D(3D+時間)動態(tài)觀察與定量建模，為揭示微觀尺度下的鹽分排出機制提供了全新視角與量化支撐。
單向冷凍過程中
鹽-冰微結(jié)構(gòu)整體演變特征
在定向凍結(jié)過程中，冰與互補鹽水的微觀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出獨特的時空演化特征。以濃度為 0.6 mol/L(約等于海水平均濃度)的鹽水樣品為例，在成核之前體系處于過冷狀態(tài)(冷暖端溫度始終恒定)，當(dāng)成核屏障被克服時，大量冰晶會在數(shù)秒內(nèi)迅速生成。
這些新生冰晶(在圖2較暗部分)與仍處于液態(tài)的鹽水(圖2中較亮部分)共存。隨后，鹽水逐漸被擠出并向溫暖端匯聚。同時，凍結(jié)鋒面先是逐漸推進但在后期又慢慢回退。在多孔冰中，最初雜亂無序的圖案逐漸被垂直條紋狀結(jié)構(gòu)所取代，并整體推移至溫暖端。
值得注意的是，凍結(jié)方向會顯著影響鹽水的分布：在向下凍結(jié)時，鹽水傾向于集中在中心位置，形成類似“鹽水柱"的結(jié)構(gòu);而在向上凍結(jié)時，鹽水則更多聚集于外圍，呈現(xiàn)出“鹽水裙"的形態(tài)(圖3)。除去中心柱的差異外，經(jīng)過約24h后，雖然經(jīng)歷的凍結(jié)路徑截然不同，但向上凍結(jié)與向下凍結(jié)樣品的最終狀態(tài)趨于相似。
水平切片顯示了垂直特征之外的微結(jié)構(gòu)演化。鹽水在多孔冰結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)渦旋狀分布，而在 0.3 和 1.2 mol/L 情況下則未見此類渦旋狀。隨著凍結(jié)繼續(xù)，條紋狀與局部化鹽水結(jié)構(gòu)逐漸被多邊形鹽水圖案取代，與垂直切片中觀察到的垂直取向現(xiàn)象相吻合。
多物理場耦合時空尺度下
冷凍過程的演化階段
整體的定向凝固過程可劃分為三個連續(xù)演化的階段(圖4)，對應(yīng)四個關(guān)鍵狀態(tài)(S1–S4)。在初始階段(S1)，尚未發(fā)生成核時，體系內(nèi)部形成線性溫度梯度，此時鹽水濃度保持均一。成核后，晶體在數(shù)秒內(nèi)迅速生長，系統(tǒng)進入 S2 狀態(tài)。在這一短暫階段，長程能量與物質(zhì)傳輸可以忽略，因此局部能量與質(zhì)量守恒成立，潛熱釋放導(dǎo)致局部溫度上升。隨后的S3狀態(tài)下，熱傳導(dǎo)遠(yuǎn)快于擴散主導(dǎo)的物質(zhì)遷移，系統(tǒng)達到熱平衡態(tài)。從S3到S4的過渡發(fā)生在更長的時間尺度上，此時離子遷移(以擴散為主)逐漸占據(jù)主導(dǎo)，并向最終態(tài)(S4)演化。
虛線則來源于CT圖像提取的冰體積分?jǐn)?shù)。整體演化趨勢保持一致：虛線從成核后1h的S3狀態(tài)(藍色虛線)逐步發(fā)展到約22h的S4狀態(tài)(紅色虛線)。在向上凍結(jié)中，成核后1h的冰體積分布與預(yù)測值高度吻合;而在向下凍結(jié)中，灰色陰影部分出現(xiàn)明顯偏差，說明成核后不久便發(fā)生了快速的鹽水傳輸過程，即重力驅(qū)動的鹵水對流。這種對流會加速高濃度鹵水從多孔冰中排出，降低局部鹽分含量，從而在相同溫度下生成更多冰。
獨特的局部鹽水結(jié)構(gòu)遷移規(guī)律
及其微觀排鹽機理
在凍結(jié)過程中，團隊還觀察到一系列獨特的微觀結(jié)構(gòu)，例如鹽水條紋、柱、裙、口袋和相對冰層。我們追蹤了凍結(jié)期間這些關(guān)鍵微觀特征的遷移(圖5)。從數(shù)十分鐘至數(shù)小時的觀察中，可以清晰辨認(rèn)出不同的微觀特征：初始階段形成的傾斜條紋(點A)，隨后逐漸轉(zhuǎn)化為豎直排列的鹽水條帶(點B);而分散的鹽水群簇(點C見圖2)則緩慢遷移并殘留在多孔冰中。同時，相對純凈的冰層邊界(點D)不斷向溫暖端推進;隨著時間延長，這些鹽水特征逐漸從冰中排除。
總體遷移速率遵循以下順序：(A)>(B)>(C)>(D)。與基于擴散主導(dǎo)的理想鹽水袋預(yù)測結(jié)果相比(灰色線)，(B)和(C)的遷移大致平行于理論線，表明擴散占主導(dǎo)地位。(A)的遷移速率(紫色線)在成核后不久明顯較快，但隨后逐漸收斂到擴散預(yù)測。較清潔的冰層(III區(qū))的膨脹率，如粉紅色線所示，比單獨擴散預(yù)測的要慢。有趣的是，(D)生長速率明顯慢于擴散模型，也是一種新的機制，需要進一步的理論和實驗研究。
結(jié)論與啟示
鹽水冷凍大致可分為三個階段。一階段通常持續(xù)幾秒鐘，從成核開始到局部平衡，并且獨立于長程傳熱和傳質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)達到大致的全局熱平衡時，第二階段結(jié)束。隨后的長程傳質(zhì)涉及體積膨脹引起的鹽水排出，特別是對于向下冷凍，對流是一種快速的鹽水排出機制。第三階段的特征是以擴散為主的緩慢傳質(zhì)，以及一種新的甚至更慢的機制。
在形態(tài)學(xué)上，在一和第二階段最初形成相對隨機的條紋圖案。在第三階段，冰結(jié)構(gòu)和鹽水模式的演變是動態(tài)的。向下凍結(jié)的鹽水柱和向上凍結(jié)的鹽水裙以條紋圖案出現(xiàn)，后來被垂直排列和水平多邊形圖案所取代。最后，向下和向上凍結(jié)都達到類似的狀態(tài)，只有多孔冰和殘留的多邊形鹽水脈。
這些發(fā)現(xiàn)和可視化為理解自然海冰形成、冷凍脫鹽、低溫保存和許多其他類似情況提供了新的視角。
昆山友碩新材料有限公司是蔡司中國代理，主要經(jīng)營蔡司三坐標(biāo)、蔡司掃描電鏡、蔡司三維掃描儀等
儀表網(wǎng) 設(shè)計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼