土木院张超教授课题组在孔隙水冻结研究取得新进展

孔隙水冻融机制是理解土体、岩石、混凝土与生物组织等多孔介质在低温下的复杂力学行为的理论基础，是寒区冻土工程、极地建造、逆境生态科学、海底可燃冰开采、火星与月壤水冰资源利用、生物组织低温保存等领域的共性科学问题。吸附水作为孔隙水的主要赋存形式，在非饱和状态下以纳米级水膜形式覆盖于固体颗粒表面，构成连接孔隙水的“隐形桥梁”。传统理论框架通常忽略吸附水的作用，认为不同孔隙的冻结过程相互独立，且冻结温度仅取决于孔径大小。然而，实验观测表明，孔隙水常发生级联冻结现象，即局部冰晶成核后，可触发大范围孔隙水的同步冻结。这一现象表明，多孔介质中存在一种未被揭示的孔隙水冻结传递机制。

针对上述问题，湖南大学张超教授课题组通过系统性实验，首次发现了吸附水可传递冻结而非连通孔隙水的奇妙现象。利用高速摄影技术，成功捕捉到冻结前沿沿吸附水膜跨液滴的定向传播过程，其传播速率约为液滴内部复辉阶段冰晶生长速率的40%，二者均符合晶体生长动力学理论预测。该现象揭示了颗粒表面吸附水在多孔介质孔隙水冻结传递中的关键作用。基于此，通过调控吸附水膜厚度或阻断其形成，可有效抑制冰晶的跨孔隙传递。该研究成果深化了对多孔介质冻结行为的理解，为冻土力学行为预测、地外行星水冰资源开发、新型材料研发、生物组织低温保存技术等领域具有潜在应用前景。

吸附水膜介导的跨液滴冻结传播过程。

相关研究成果以“Water Nanofilms Facilitate Ice Crystal Growth across Droplets”为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters），湖南大学土木工程学院为该工作第一完成单位，张超教授为第一通讯作者，土木工程学院直博生胡绍杰为第一作者。土木工程学院陈仁朋教授、博士生赵宁宁，物理与微电子科学学院李福祥教授，苏黎世联邦理工学院Dani Or教授参与了本项工作。该工作得到国家自然科学基金项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.064001

来源：土木院

学生编辑：石佳璐

责任编辑：李尹汝