How surface charges affect interdroplet freezing

化学物理 材料科学 电介质 静电学 机械 化学 纳米技术 光电子学 物理 物理化学
作者
Siyan Yang,Bingqiang Ji,Yawei Feng,Yuankai Jin,Wanghuai Xu,Jingyi Lu,Xuezhi Qin,Huanhuan Zhang,Mingyu Li,Zhenyu Xu,Xiaonan Liu,Lang Xu,Dehui Wang,Rongfu Wen,Zhenying Wang,Zhenying Wang,S. Wang,Xuehu Ma,Zuankai Wang,Zuankai Wang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (25): e2507849122-e2507849122 被引量:6
标识
DOI:10.1073/pnas.2507849122
摘要

The freezing of droplets on surfaces is closely relevant with various industrial processes such as aviation, navigation, and transportation. Previous studies mainly focus on physiochemically heterogeneous but electrically homogeneous surfaces, on which the presence of vapor pressure gradient between droplets is the predominant mechanism for interdroplet freezing bridging, propagation, and eventual frosting across the entire surface. An interesting yet unanswered question is whether electrostatic charge on surfaces affects freezing dynamics. Here, we find an interdroplet freezing relay (IFR) phenomenon on electrically heterogeneous surfaces that exhibits a three-dimensional, in-air freezing propagation pathway and an accelerated freezing rate. Theoretical and experimental investigations demonstrate that this phenomenon originates from the presence of surface charge gradient established between the frozen droplet and neighboring water droplet, which leads to a spontaneous shooting of desublimated ice needles from the frozen droplet and then triggers the freezing of neighboring water droplet in in-air manner. We further demonstrate its generality across various dielectric substrates, liquids, and droplet configurations. Our work enriches conventional perspectives on droplet freezing dynamics and emphasizes the pivotal role of electrostatics in designing passive anti-icing and antifrosting materials.
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