用于行星科学实验的微米级冰颗粒 - I. 制备、临界滚动摩擦力与比表面能

凝并模型假设微米级冰颗粒的黏附阈值高于微米级硅酸盐颗粒。然而，与硅酸盐不同，目前尚未对微米级冰颗粒（特别是最丰富的水冰）的碰撞性质进行过实验室研究。因此，我们使用了两种不同的实验方法来制备微米级水冰颗粒，即将水滴喷入液氮中以及将水滴喷入冷氮气气氛中。用这些实验方法制备的冰颗粒的平均半径分别为 $(1.49 \pm 0.79) \, \mathrm{\mu m}$ 和 $(1.45 \pm 0.65) \, \mathrm{\mu m}$。由微米级冰颗粒组成的冰聚集体高度多孔（体积填充因子：$\phi = 0.11 \pm 0.01$）或相当致密（体积填充因子：$\phi = 0.72 \pm 0.04$），这取决于制备方法。此外，测量了微米级冰颗粒的临界滚动摩擦力为 $F_{Roll,ice}=(114.8 \pm 23.8) \times 10^{-10}\, \mathrm{N}$，超过了微米级 $\mathrm{SiO_2}$ 颗粒的临界滚动摩擦力（$F_{Roll,SiO_2}=(12.1 \pm 3.6) \times 10^{-10}\, \mathrm{N}$）。这一结果意味着微米级冰颗粒之间的黏附键合强于 $\mathrm{SiO_2}$ 颗粒之间的键合强度。根据测得的临界滚动摩擦力与微米级 $\mathrm{SiO_2}$ 颗粒的表面能，估算微米级冰颗粒的比表面能为 $\gamma_{ice} = 0.190 \, \mathrm{J \, m^{-2}}$。