在自然界和人类工程中，冰无处不在。它虽然看起来坚硬，本质上却是一种极其“脆”的固体。当气温剧烈波动时，冰层会因为极易开裂和碎裂，导致冰震、冰架解体，甚至威胁极地科考船、寒区桥梁和飞机的运行安全。

冰的热应力断裂研究最早可追溯至20世纪60年代。科学家Gold通过单晶冰在界面温度梯度作用下的断裂实验，首次描述了冰的解理面特征，奠定了热应力诱导冰断裂研究的基础。此后，相关研究多聚焦于液滴撞击过冷表面后快速冻结引发的破碎和界面剥离现象。然而，目前学界对黏附冰在刚性界面上的失稳断裂机制尚未形成清晰认知。

在国家自然科学基金委员会、中国科学院和北京分子科学国家研究中心等支持下，化学研究所绿色印刷实验室刘杰课题组研究了黏附在刚性固体表面的冰在降温过程中的断裂行为，揭示了热应力可在完全冻结的冰中触发一种与传统能量控制断裂不同的爆发性失稳断裂新现象。他们发现，每个晶粒有特定的断裂温度，其数值依赖于晶粒的尺寸。对大晶粒，断裂温度较高，发生能量主导的断裂模式；对小晶粒，断裂温度更低，发生应变主导的断裂。这两种断裂模式在晶粒尺寸及相应断裂温度上存在明确的临界值。

在此基础上，刘杰课题组进一步提出并验证了利用温度响应界面实现冰自发脱附的新策略，为防冰和主动除冰材料设计提供了新的理论依据。该工作不仅深化了对冰在界面受限条件下热应力断裂本质的认识，也将课题组前期在结冰成核调控与界面黏附机制方面的研究进一步拓展至冰断裂与脱附行为调控领域。

这一研究成果一方面为极地探测装备、航空器、寒区能源与交通设施等在低温复杂环境中的防冰、除冰和结构安全设计提供了新的理论支撑；另一方面对于理解冰川裂解、冰层失稳、冻融地质过程及相关地貌演化机制也具有启发意义，有望为极地科学、冰川科学和地球科学研究提供新的分析视角。相关研究工作发表在Science Advances期刊上（文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz8663）。论文第一作者为博士王磊和中国科学院大学博士后吴凯，通讯作者为刘杰研究员、中国科学院大学周昕教授和理化技术研究所王健君研究员。

冰的爆发性失稳断裂现象

绿色印刷实验室

2026年4月13日