弱磁場影響水結晶過程的基礎研究

《弱磁場影響水結晶過程的基礎研究》是依託山東大學，由趙紅霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：弱磁場影響水結晶過程的基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙紅霞
• 依託單位：山東大學

中文摘要

本項目擬探索0-200G範圍內的弱直流磁場對水的結晶過程的影響，從微觀和巨觀兩個方面進行全面的研究。採用非平衡分子動力學模型計算磁場影響下水分子的運動軌跡，獲得其內能、徑向分布函式和氫鍵結構等的變化，進而求得遷移活化能，並利用熱力學成核法求得成核勢壘，利用鍵型指數分析法考察晶簇結構的變化，建立成核速率和晶體生長速率計算式，構架析晶圖。根據數值模擬結果，結合經典成核結晶理論，採用非等溫DSC實驗方法，求得結晶動力學有關參數，引入磁場修正因子，發展新的結晶動力學理論模型。根據析晶圖，採用可視化低溫顯微實驗裝置，記錄晶體形態的演變，依據分形理論獲得能表征晶體形態的分形維數，建立磁場強度和晶體形態之間的定量關係。通過以上研究本項目將為弱磁場影響水結晶的機理和規律提供基礎認知，為磁場輔助速凍技術提供理論支撐和設計依據，具有重要的科學意義和實用價值。

結題摘要

有效的控制食品的凍結過程對提高凍品的質量非常重要，因為凍結過程決定了冰晶的生長和結構。快速的凍結會產生較小的冰晶，對細胞損害較小，解凍後得到的食品質量較好。而附加各種物理場來改變凍結進程，控制冰晶的形態，則是當前亟需發展的新技術。各種物理場如超音波、電場和磁場都可以影響凍結過程，但是關於磁場對冷凍過程的研究較少，本項目在自行搭建的磁場輔助快速冷凍實驗平台上進行了磁場作用下水和溶液冷凍過程的研究。磁場輔助速凍技術是一種新型的快速冷凍技術，但是目前對於該技術的機理缺乏研究，制約了該技術的發展。本項目從巨觀和微觀兩個方面進行了研究，探尋弱磁場作用下水和溶液的冷凍過程和結晶規律的變化。微觀角度擬採用實驗捕捉結晶圖像，分析磁場對冰晶形態的影響。巨觀角度採用實驗手段研究不同磁場作用下水（溶液）的凍結過程，獲得其凍結曲線，運用統計方法歸納出磁場對上述參數的影響規律，為磁場速凍技術提供理論指導。採用亥姆霍茲線圈產生勻強磁場,研究了弱直流磁場對去離子水、生理鹽水和乙二醇水溶液的冷凍過程進行了研究。實驗結果表明磁場可以增加生理鹽水過冷度，提高過冷時間，縮短相變時間；但是磁場反而減小了乙二醇溶液的過冷度，不同強度的磁場可能增加或縮短相變時間。這一現象歸結於乙二醇和生理鹽水化學結構的不同。通過對弱磁場作用下去離子水和蔗糖溶液結晶圖像的研究，結果發現弱直流磁場改變了去離子水和蔗糖溶液中冰晶的形態。冰晶由無磁場下的長棒狀變為圓潤的花瓣狀，該發現可以解釋磁場影響速凍過程的機理-圓潤的冰晶可以減少凍結過程中冰晶對細胞的破壞作用。上述發現可以為磁場套用於凍結過程提供支持，為控制冰晶的生成提供新的方法。