Результаты являются результатом многолетней работы недавних выпускников Массачусетского технологического института Саманты МакБрайд, доктора философии ’20 и Анри-Луи Жирара, доктора философии ’20, с профессором машиностроения Крипа Варанаси. Работа, опубликованная в журнале Science Advances, показывает, что из-за комбинации гидрофобных (водоотталкивающих) поверхностей и тепла растворенные соли могут кристаллизоваться таким образом, что их можно легко удалить с поверхности, в некоторых случаях только под действием силы тяжести.
Когда исследователи начали изучать способ кристаллизации солей на таких поверхностях, они обнаружили, что осаждающаяся соль сначала образует частичную сферическую оболочку вокруг капли.
Неожиданно эта оболочка внезапно поднялась бы на множестве веретенообразных ножек, выросших во время испарения. В процессе неоднократно появлялись многоногие формы, напоминающие слонов и других животных, и даже научно-фантастических дроидов. Исследователи окрестили эти образования «хрустальными тварями» в названии своей статьи.
После многих экспериментов и подробного анализа команда определила механизм, который вызывает эти выступы в виде ножек. Они также показали, как выступы меняются в зависимости от температуры и природы гидрофобной поверхности, которая была получена путем создания наноразмерного рисунка с небольшими выступами.
Они обнаружили, что узкие ножки, на которых держатся эти похожие на существа формы, продолжают расти снизу вверх, поскольку соленая вода течет вниз через соломенно-подобные ножки и выпадает на дно, что-то наподобие растущей сосульки, балансирующей только на ней. кончик. В конце концов ноги становятся настолько длинными, что не могут выдержать вес существа, и капля кристалла соли отламывается и падает или уносится прочь.
По словам Варанаси, работа была мотивирована желанием ограничить или предотвратить образование накипи на поверхностях, в том числе внутри труб, где такое образование накипи может привести к засорению. «Эксперимент Саманты показал этот интересный эффект, когда шкала в значительной степени появляется сама собой», – говорит он.
"Эти ножки представляют собой полые трубки, по которым течет жидкость. Как только он достигает дна и испаряется, он образует новые кристаллы, которые постоянно увеличивают длину трубки », – говорит Макбрайд. "В конце концов, у вас очень, очень ограниченный контакт между подложкой и кристаллом, до такой степени, что они будут просто откатываться сами по себе."
МакБрайд вспоминает, что, проводя первые эксперименты в рамках своей докторской диссертации, «мы определенно подозревали, что эта конкретная поверхность будет хорошо работать для устранения адгезии хлорида натрия, но мы не знали, что следствием предотвращения этой адгезии будет выброс всего "с поверхности".
Она обнаружила, что одним из ключей был точный масштаб узоров на поверхности. В то время как многие узоры с различными масштабами длины могут давать гидрофобные поверхности, только узоры в нанометровом масштабе достигают этого эффекта самовыдувания. «Когда вы испаряете каплю соленой воды на супергидрофобной поверхности, обычно происходит то, что эти кристаллы начинают попадать внутрь текстуры и просто образуют шар, и они не отрываются», – говорит Макбрайд. "Так что это что-то очень специфическое в текстуре и масштабе длины, на которые мы здесь смотрим, что позволяет этому эффекту возникать."
Этот процесс самоизбрасывания, основанный просто на испарении с поверхности, текстуру которой можно легко получить путем травления, абразивной обработки или нанесения покрытия, может быть благом для самых разных процессов. Все виды металлических конструкций в морской среде или под воздействием морской воды страдают от накипи и коррозии. По словам исследователей, полученные данные могут позволить использовать новые методы исследования механизмов образования накипи и коррозии.
Исследователи обнаружили, что, варьируя количество тепла вдоль поверхности, можно даже заставить кристаллические образования катиться в определенном направлении. Чем выше температура, тем быстрее происходит рост и отрыв этих форм, сводя к минимуму время, в течение которого кристаллы блокируют поверхность.
Теплообменники используются в самых разных процессах, и на их эффективность сильно влияет любое поверхностное загрязнение. По словам Варанаси, одни только эти потери составляют четверть процента ВВП США.S. и другие промышленно развитые страны.
Но засорение также является важным фактором во многих других областях. Он влияет на трубы в системах водоснабжения, геотермальных скважинах, сельскохозяйственных объектах, опреснительных установках, а также в различных системах возобновляемой энергии и методах преобразования углекислого газа.
Этот метод, по словам Варанаси, может даже позволить использовать неочищенную соленую воду в некоторых процессах, где это было бы невозможно в противном случае, например, в некоторых промышленных системах охлаждения.
Кроме того, в некоторых случаях извлеченные соли и другие минералы могут быть товарными продуктами.
Хотя первоначальные эксперименты проводились с обычным хлоридом натрия, ожидается, что другие виды солей или минералов будут давать аналогичные эффекты, и исследователи продолжают изучать возможность распространения этого процесса на другие виды растворов.
По словам Варанаси, поскольку методы создания текстур для создания гидрофобной поверхности уже хорошо разработаны, внедрение этого процесса в крупном промышленном масштабе должно быть относительно быстрым и может позволить использовать соленую или солоноватую воду для систем охлаждения, которые в противном случае потребовали бы использование ценной и часто ограниченной пресной воды. Например, в U.S. только триллион галлонов пресной воды используется в год для охлаждения.
Типичная электростанция мощностью 600 мегаватт потребляет около миллиарда галлонов воды в год, чего может хватить для обслуживания 100000 человек. Это означает, что использование морской воды для охлаждения там, где это возможно, может помочь решить проблему нехватки пресной воды.
Работа была поддержана Equinor через MIT Energy Initiative, MIT Martin Fellowship Program и Национальным научным фондом.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = XpV1t4pvqrA & t = 2 с