纳米限域盐捕获引起的冰点降低与冻融破坏

种类惊人的生物体与湿材料能够耐受远低于块体水冰点的温度。生物学中的耐冻性通常归因于“抗冻”蛋白，然而仅含简单水溶液的电解质的多孔介质中也可能出现大规模过冷（$< -40^\circ$C）。对于混凝土路面，普遍观点认为冻融破坏源于水结冰时的膨胀，但这无法解释破坏混凝土所需的大压强（$> 10$~MPa）、观察到的路面破坏与除冰盐之间的相关性，以及负载苯（其结冰时收缩）的水泥浆体的破坏。在本快报中，我们提出了一种不同的机制——纳米流体盐捕获（nanofluidic salt trapping），利用受限在生长冰与带电表面间薄液膜中溶解离子的简单数学模型，可解释上述现象。尽管被捕获的盐降低了冰点，但带电孔隙中的冰成核通过被排斥的离子产生巨大的分离压，直到在较低温度下通过沉淀或表面吸附将其移除，释放压力并允许完全冻结。该理论能够预测混凝土中冻融破坏的非单调盐浓度依赖性，并提供了一个理解耐冻性起源的通用框架。