霜作用是什么？
霜是一种在较低温度下出现在地表的固态降水，由于形成过程较为复杂，其微观结构亦表现出一定的特异性；从宏观现象来看，不同的生物对其的反应也存在明显差异性[1]．研究环境条件对霜的微观结构影响可为理解自然界中霜形成的原理提供重要的实验依据。
本课题组先前的工作表明，微滴相态、表面活性剂类型和浓度以及有机溶剂的存在均会对霜的形成与结构产生重要影响，而温度则是决定最终成霜与否的关键因素之一[2-4]。当溶液温度低于0℃时，溶液中的大量分子会以冰晶的形式存在；随着温度进一步降低，部分冰晶会相互结合而生长为大颗粒的雪花；但当温度低于-5℃时，无论是否添加任何外界物质，溶液都不会凝结成霜[2]。上述结果提示我们低温条件下（<-5℃），过冷液相中分子的运动性会受到抑制，形成霜的条件更加苛刻。
为了系统考察温度对霜形成的影响并探索相关机理，我们对不同温度条件下的成霜反应进行了系统的测量与分析。 图1给出了未添加表面活性剂的液体石蜡溶液在不同温度下成霜的示例。
由图可知，当温度低于-5℃时，无论放置多长时间，溶液都不会发生冻凝成霜。这说明在此温度范围内，虽然液体石蜡的玻璃化转变温度(Tg)为-7℃左右且已发生软化，但由于存在大量的分子运动，其不能通过简单的扩散而达到过饱和状态，导致不能形成正常的晶体或雪花。
值得注意的是，当温度高于Tg但低于-5℃时，若立即检测，则发现溶液已经过饱和并有结晶出现，说明此温度区间内溶液具备形成霜的潜势；然而若延长静置时间至24h后再检测，则发现所有溶液均已恢复至初始状态，证明此时生成的晶态物质能够在短时间内重新溶解于水中。这是由于温度低于-5℃时，分子运动的能量低于临界值，分子间的作用力主要以氢键为主[5]，因此形成的晶态物质具有较低的稳定性，能较快重熔。
我们观察到即使在相同的低温条件下，加入相同体积分数的表面活性剂后溶液就能快速成霜，而且形成的霜晶更加均匀完整(如图2所示)，这进一步验证了表面活性剂对低温成霜的关键作用。另外，我们曾尝试以离子型表面活性剂十六烷基三甲基季铵溴化物（CTAB）替代阴离子型表面活性剂SDS进行成霜研究，结果发现其对于低温成霜无促进作用，这与先前关于CTAB促进低温沉淀的研究结论一致[6]，说明表面活性剂对低温成霜的作用并非来自静电作用的协同作用。
我们还发现加入少量乙二醇后可显著提高溶液的成霜效率(如图3)。这是因为增加溶剂的比例可降低液相的过饱和度，从而减少非晶态微粒的聚集机会，进而提高成霜率。使用混合酯类(PVM/MA)作为溶剂的配方比单纯使用正丙醇的方案能更大幅度提升成霜率，这可能是因为混合酯类溶剂可使表面活性剂的双亲特性得到更好地发挥。
本文通过设计不同的实验方案，获得了多种条件下低温成霜的反应机制，解释了表面活性剂在其中的关键作用，并通过调节溶剂比例优化了成霜条件。这些研究结果为低温成霜理论提供了实验依据，也为实际应用提供了参考价值。