超疏水表面上的悬浮「冰桥」使霜冻传播速度减慢
霜冻是一种常见的麻烦——出现在汽车挡风玻璃、冰箱盘管、飞机机翼和热交换器上——但其传播的物理学原理有一个重要的微妙之处，工程师们现在或许能够加以利用。今年早些时候发表在《自然·物理》上、并于7月9日由《物理世界》报道的一项研究表明，霜冻并不总是沿着表面生长。在超疏水材料上，它会穿过空气跳跃。
这一发现由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Siyang Yang和Nenad Miljkovic领导的团队与北京科技大学和苏黎世联邦理工学院的同事共同完成，推翻了霜冻物理学中一个长期存在的假设：即连接冻结水滴的细长连接器——冰桥——总是沿着基底形成。
霜冻生长的两种模式
当水滴在寒冷表面冻结时，它们并不会简单地原地变成冰。当一个水滴冻结时，冻结过程中释放的潜热会导致邻近的过冷水滴也开始冻结，通过生长的”冰桥”连接起来——这些细长的冰丝从冻结的水滴向其未冻结的邻近水滴传播。这种冰桥传播的速度和几何形状决定了霜冻覆盖表面的速度。
在亲水表面（接触角约低于90°）上，冰桥以沿着基底生长的二维”堤道”形式形成。冰桥与表面直接接触，能够高效传热，传播速度相对较快。
在超疏水表面——这种材料被设计成具有憎水性，接触角大于150度——团队发现了一种根本不同的机制。冰桥并非沿着表面生长，而是悬浮在其上方形成：三维细丝从一滴水到另一滴水在空气中划出弧线，仅在液滴底部接触表面。
临界角
两种模式之间的转变发生在表观接触角约105°的临界值。超过这一阈值，悬浮冰桥机制占主导地位。这一发现得益于焦平面移位成像（FPSI），这是一种从不同焦深的一系列二维图像重建三维结构的轮廓测量技术。标准光学显微镜会压缩垂直维度，无法区分附着在表面上的冰桥和悬浮在上方的冰桥。
一旦团队知道要寻找什么，其意义就变得清晰了。
更慢的传播
悬浮冰桥的传播速度比表面附着冰桥慢80%以上。原因有两个：冰桥更长（必须在空气中弧线传播而非沿着表面），且与基底的热交换效率更低（空气层起到热绝缘体的作用）。
实际意义已通过直接测试验证。在米级翅片管铝制热交换器——用于空调、制冷和热泵系统的类型——上施加超疏水涂层，几乎使霜冻传播时间延长了一倍，并推迟了霜冻覆盖的开始。
对防冰设计的意义
这一发现为超疏水表面长期以来被观察到能抑制霜冻形成提供了机制性解释，即使具体的物理学原理此前尚不清楚。更重要的是，它提出了一种设计原则：与其仅仅专注于延迟冰的初始成核——这一直是主流的防冰策略——不如设计表面以控制冰桥生长本身的几何形状，从而有利于更慢的悬浮模式。
这项工作得到了UIUC的空调与制冷中心（ACRC）和九州大学国际碳中和能源研究所（WPI-I2CNER）的支持。
婷 翻译
来源：
1. Yang, S., Chu, F., Ganesan, V. et al. “Growth and control of suspended ice bridges during sessile droplet freezing.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03296-2
2. Dumé, I. “Frost spreads across surfaces via suspended ‘ice bridges.'” Physics World, July 9, 2026. https://physicsworld.com/a/frost-spreads-across-surfaces-via-suspended-ice-bridges/