孔隙水凍融機(jī)制是理解土體、巖石、混凝土與生物組織等多孔介質(zhì)在低溫下的復(fù)雜力學(xué)行為的理論基礎(chǔ)，是寒區(qū)凍土工程、極地建造、逆境生態(tài)科學(xué)、海底可燃冰開采、火星與月壤水冰資源利用、生物組織低溫保存等領(lǐng)域的共性科學(xué)問題。吸附水作為孔隙水的主要賦存形式，在非飽和狀態(tài)下以納米級(jí)水膜形式覆蓋于固體顆粒表面，構(gòu)成連接孔隙水的“隱形橋梁”。傳統(tǒng)理論框架通常忽略吸附水的作用，認(rèn)為不同孔隙的凍結(jié)過程相互獨(dú)立，且凍結(jié)溫度僅取決于孔徑大小。然而，實(shí)驗(yàn)觀測表明，孔隙水常發(fā)生級(jí)聯(lián)凍結(jié)現(xiàn)象，即局部冰晶成核后，可觸發(fā)大范圍孔隙水的同步凍結(jié)。這一現(xiàn)象表明，多孔介質(zhì)中存在一種未被揭示的孔隙水凍結(jié)傳遞機(jī)制。

針對(duì)上述問題，湖南大學(xué)張超教授課題組通過系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了吸附水可傳遞凍結(jié)而非連通孔隙水的奇妙現(xiàn)象。利用高速攝影技術(shù)，成功捕捉到凍結(jié)前沿沿吸附水膜跨液滴的定向傳播過程，其傳播速率約為液滴內(nèi)部復(fù)輝階段冰晶生長速率的40%，二者均符合晶體生長動(dòng)力學(xué)理論預(yù)測。該現(xiàn)象揭示了顆粒表面吸附水在多孔介質(zhì)孔隙水凍結(jié)傳遞中的關(guān)鍵作用。基于此，通過調(diào)控吸附水膜厚度或阻斷其形成，可有效抑制冰晶的跨孔隙傳遞。該研究成果深化了對(duì)多孔介質(zhì)凍結(jié)行為的理解，為凍土力學(xué)行為預(yù)測、地外行星水冰資源開發(fā)、新型材料研發(fā)、生物組織低溫保存技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。

吸附水膜介導(dǎo)的跨液滴凍結(jié)傳播過程。

相關(guān)研究成果以“Water Nanofilms Facilitate Ice Crystal Growth across Droplets”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters），湖南大學(xué)土木工程學(xué)院為該工作第一完成單位，張超教授為第一通訊作者，土木工程學(xué)院直博生胡紹杰為第一作者。土木工程學(xué)院陳仁朋教授、博士生趙寧寧，物理與微電子科學(xué)學(xué)院李福祥教授，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Dani Or教授參與了本項(xiàng)工作。該工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持。