Ungefär en fjärdedel av en procent av industriländernas hela bruttonationalprodukt beräknas gå förlorad genom en enda teknisk fråga:nedsmutsning av värmeväxlarens ytor av salter och andra lösta mineraler. Denna nedsmutsning sänker effektiviteten hos flera industriella processer och kräver ofta dyra motåtgärder såsom vattenförbehandling. Nu, fynd från MIT kan leda till ett nytt sätt att minska sådan nedsmutsning, och potentiellt till och med möjliggöra att förvandla den skadliga processen till en produktiv som kan ge säljbara produkter.

Resultaten är resultatet av år av arbete av nyligen utexaminerade MIT Samantha McBride Ph.D. '20 och Henri-Louis Girard Ph.D. '20 med professor i maskinteknik Kripa Varanasi. Arbetet, redovisas i tidskriften Vetenskapens framsteg , visar att på grund av en kombination av hydrofoba (vattenavvisande) ytor och värme, lösta salter kan kristallisera på ett sätt som gör det lätt att ta bort dem från ytan, i vissa fall enbart av gravitationen.

När forskarna började studera hur salter kristalliserar på sådana ytor, de fann att det utfällande saltet till en början skulle bilda ett partiellt sfäriskt skal runt en droppe. Oväntat, detta skal skulle sedan plötsligt resa sig på en uppsättning spinkiga benliknande förlängningar som växte under avdunstning. Processen producerade upprepade gånger flerbensformer, liknar elefanter och andra djur, och till och med sci-fi-droider. Forskarna kallade dessa formationer "kristalldjur" i titeln på sin uppsats.

Efter många experiment och detaljerad analys, teamet bestämde mekanismen som producerade dessa benliknande utsprång. De visade också hur utsprången varierade beroende på temperatur och arten av den hydrofoba ytan, som producerades genom att skapa ett nanoskalamönster av låga åsar. De fann att de smala benen som håller upp dessa djurliknande former fortsätter att växa uppåt från botten, när det salta vattnet rinner nedåt genom de halmliknande benen och faller ut på botten, lite som en växande istapp, bara balanserad på sin spets. Så småningom blir benen så långa att de inte kan bära upp djurets vikt, och klumpen av saltkristall bryter av och faller eller svepas bort.

Arbetet motiverades av önskan att begränsa eller förhindra uppkomsten av avlagringar på ytor, inklusive invändiga rör där sådan skalning kan leda till blockeringar, säger Varanasi. "Samanthas experiment visade denna intressanta effekt där skalan i stort sett bara hoppar av av sig själv, " han säger.

"Dessa ben är ihåliga rör, och vätskan leds ner genom dessa rör. När den väl når botten och avdunstar, det bildar nya kristaller som kontinuerligt ökar längden på röret, " säger McBride. "I slutändan, du har mycket, mycket begränsad kontakt mellan substratet och kristallen, till den punkt där dessa bara kommer att rulla iväg av sig själva."

McBride påminner om att när hon gjorde de första experimenten som en del av hennes doktorsavhandlingsarbete, "Vi misstänkte definitivt att just denna yta skulle fungera bra för att eliminera natriumkloridvidhäftning, men vi visste inte att en konsekvens av att förhindra den vidhäftningen skulle vara att hela saken kastades ut från ytan.

En nyckel, hon hittade, var den exakta skalan av mönstren på ytan. Även om många olika längdskalor av mönstring kan ge hydrofoba ytor, endast mönster på nanometerskala uppnår denna självutstötande effekt. "När du avdunstar en droppe saltvatten på en superhydrofob yta, vad som vanligtvis händer är att kristallerna börjar komma in i texturen och bara bilda en glob, och det slutar inte med att de lyfter, " säger McBride. "Så det är något väldigt specifikt med texturen och längdskalan som vi tittar på här som gör att den här effekten kan uppstå."

Denna självutstötande process, helt enkelt baserat på avdunstning från en yta vars textur lätt kan framställas genom etsning, abrasion, eller beläggning, kan vara en välsignelse för en mängd olika processer. Alla typer av metallkonstruktioner i en marin miljö eller utsatta för havsvatten lider av avlagringar och korrosion. Fynden kan också möjliggöra nya metoder för att undersöka mekanismerna för skalning och korrosion, säger forskarna.

Genom att variera mängden värme längs ytan, det är till och med möjligt att få kristallformationerna att rulla längs i en specifik riktning, fann forskarna. Ju högre temperatur, ju snabbare tillväxten och lyftet av dessa former sker, minimera den tid som kristallerna blockerar ytan.

Värmeväxlare används i en mängd olika processer, och deras effektivitet påverkas starkt av eventuell ytförorening. Bara dessa förluster, Varanasi säger, lika med en kvarts procent av BNP för USA och andra industriländer. Men påväxt är också en viktig faktor på många andra områden. Det påverkar rör i vattendistributionssystem, geotermiska brunnar, jordbruksmiljöer, avsaltningsanläggningar, och en mängd olika förnybara energisystem och koldioxidomvandlingsmetoder.

Den här metoden, Varanasi säger, kan till och med möjliggöra användningen av obehandlat saltvatten i vissa processer där det annars inte skulle vara praktiskt, som i vissa industriella kylsystem. Ytterligare, i vissa situationer kan de återvunna salterna och andra mineraler vara säljbara produkter.

Medan de första experimenten gjordes med vanlig natriumklorid, andra typer av salter eller mineraler förväntas ge liknande effekter, och forskarna fortsätter att utforska utvidgningen av denna process till andra typer av lösningar.

Eftersom metoderna för att göra texturerna för att producera en hydrofob yta redan är väl utvecklade, Varanasi säger, att implementera denna process i stor industriell skala bör vara relativt snabb, och skulle kunna möjliggöra användningen av salt eller bräckt vatten för kylsystem som annars skulle kräva användning av värdefullt och ofta begränsat sötvatten. Till exempel, bara i USA, en biljon liter sötvatten används per år för kylning. Ett typiskt kraftverk på 600 megawatt förbrukar ungefär en miljard liter vatten per år, vilket kan räcka för att tjäna 100, 000 personer. Det betyder att användning av havsvatten för kylning där det är möjligt kan bidra till att lindra ett problem med sötvattenbrist.