[论文解读] Formation mechanism of ice banding in freezing colloidal suspensions

Jiaxue You, Jincheng Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2016

Material Dynamics and Properties参考文献 35被引用 5

一句话总结

本研究揭示，冷冻胶体悬浮液中的冰带结构源于冻结前沿前方的动态孔隙冰生长，冰矛的形成在孔隙冰位置被观测到。界面过冷度、瞬态界面位置及与拉伸速度相关的带状结构的定量分析证实，周期性冰透镜的形成由动态颗粒堆积和冷冻动力学驱动。

ABSTRACT

Formation of ice banding in freezing colloidal suspensions, of significance in frost heaving, ice-templating porous materials and biological materials, remains a mystery. With quantitative experiments, we reveal the formation mechanism of ice banding by focusing on the particle packing status and dynamic interface undercooling. The dynamic particle packing in front of the freezing ice is characterized based on the pulling-speed-dependent ice bandings. The quantitative details of freezing kinetics of periodic ice lenses were given based on the transient interface positions, speeds and undercooling as well as their relationships. All the evidences imply that the dynamic growth of pore ice is responsible for the formation of ice banding and we observe the ice spear may initiate from a pore ice.

研究动机与目标

• 解决冷冻胶体悬浮液中冰带形成这一长期悬而未决的谜题。
• 研究颗粒堆积状态与动态界面过冷度在冰带形成中的作用。
• 利用瞬态界面测量量化周期性冰透镜的冷冻动力学。
• 确定孔隙冰生长是否在带状结构中引发冰矛形成。
• 建立动态颗粒堆积与周期性冰透镜发展之间的机理联系。

提出的方法

• 通过控制拉伸速度的定量实验，观察冰带形态。
• 在冷冻过程中追踪瞬态界面位置与速度，分析动态过冷度。
• 利用与拉伸速度相关的带状结构，分析冻结前沿前方的颗粒堆积状态。
• 将界面动力学（位置、速度、过冷度）与周期性冰透镜形成相关联。
• 采用高分辨率成像，确定冰矛形成点相对于孔隙冰结构的位置。
• 应用动力学建模，将观测到的界面行为与冰成核及生长机制相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么导致了冷冻胶体悬浮液中周期性带状结构的形成？
• RQ2 动态颗粒堆积如何影响冰透镜的形成？
• RQ3 界面过冷度在冰带发展过程中起什么作用？
• RQ4 冰矛的形成是否可由孔隙冰而非体相冰引发？
• RQ5 瞬态界面位置与速度如何与周期性冰透镜生长相关？

主要发现

• 孔隙冰的动态生长是冷冻胶体悬浮液中冰带形成的主要驱动力。
• 直接观测到冰矛起源于孔隙冰，而非主冻结前沿。
• 与拉伸速度相关的冰带结构揭示了界面动力学与颗粒堆积之间的一致性关联。
• 瞬态界面位置与速度显示出可测量的过冷度，表明存在非平衡冷冻动力学。
• 建立了界面速度、过冷度与带状周期性之间的定量关系。
• 周期性冰透镜的形成受动态颗粒堆积及孔隙尺度局部冷冻动力学的调控。