Processen med kristallisationsnedsmutsning är ett fenomen där beläggningar bildas på ytor. Det är utbrett i natur och teknik och påverkar energi- och vattenindustrin. Trots tidigare försök förblir rationellt utformade ytor med inneboende motstånd svårfångade på grund av en bristande förståelse för hur mikrobeväxta ämnen vidhäftar i dynamiska vattenhaltiga miljöer.
I en studie som nu publicerats i Science Advances , Julian Schmid och ett team av forskare inom ytteknik i Schweiz och USA studerade gränsytans dynamik hos mikrobeväxta medel genom att använda ett mikroskannande vätskedynamiskt mätsystem för att demonstrera en rationellt utvecklad beläggning som tar bort 98 % av avlagringarna under skjuvflödesförhållanden.
Vatten och energi är sammankopplade resurser, där vatten krävs för att producera energi för transport, avsaltning och vattenrening. Dessa resursers ändliga karaktär och växande globala utmaningar, inklusive klimatförändringar och befolkningstillväxt, sätter dem dock under ökad stress. Passiva metoder för att avvärja skalbildning inkluderar ytteknik, gränssnittsmaterial och beläggningar, som är attraktiva alternativ för hållbarhet och också är kostnadseffektiva.
Forskare hade också tidigare fokuserat på att utveckla styva antifouling-ytor som förändrar ytenergin hos material för att eliminera nedsmutsning. Materialforskare har visat ett växande intresse för utvecklingen av gränssnittsmaterial och beläggningar som förbättrar antifouling-egenskaperna med hjälp av materialets inneboende barriärer.
I detta nya arbete utvecklade Schmid och kollegor en ny metod för att studera fysiken för vidhäftning av mikrofoulant och skapade en dynamisk vätskemätare för mikroskanning. Forskarna avslöjade tre underliggande mekanismer för avlägsnande av mikrofoulant för att designa en mikrotexturerad beläggning och testade dess skalbarhet under laminära och turbulenta flödesförhållanden. Resultatet kan belysa egenskaperna hos kristallisation och partikelnedsmutsning, och leda till utformningen av gränssnittsmaterial som antifouling-ytor för att möta utmaningarna i sambandet mellan vatten och energi.
Naturen har exceptionella exempel på supervätbarhet och transportsystem som har bidragit till utvecklingen av bioinspirerade repellerande substrat för undersökning av dynamiken i kristallit-vatteninteraktioner. Schmid och kollegor kvantifierade avlägsnandet av mikrofoulant från substrat med varierande följsamhet genom att bestämma deras ytvätbarhet. Till exempel, för att avlägsna kalciumkarbonatkristalliter, använde teamet ett avstämbart laminärt vattenskjuvflöde och visualiserade samtidigt processen genom att pumpa vatten genom en glaskapillär för att generera skjuvspänning.
Schmid och teamet kvantifierade också den passiva skjuvdrivna aggregatborttagningsprocessen. Till exempel, när teamet tillämpade metoden på ett styvt glassubstrat som hade genomgått kristallisationsnedsmutsning under skjuvflöde, observerade de det förändrade antalet kristalliter på ytan i förhållande till det initiala värdet. Sådana glasytor kan göras hydrofoba genom behandling med fluorsilan och ett mjukt silikon för att framhäva den invecklade naturen hos substrat-kristallit-interaktioner och visa ytegenskaper med mikrofoulants.
De individuella händelserna med avlägsnande av kristalliter var snabba, vilket har betydande implikationer för antifouling eller skalfobiska material eftersom det tillåter avlägsnande av kristalliter före uppbyggnaden av sega fjällskikt. För att förstå mekanismerna bakom förbättrad avstötning mot skalbaserad beläggning ersatte materialforskarna komplexa kristalliter som varierar i storlek med sfäriska polystyrenmikropartiklar av jämförbar storlek för att studera effekten av vattenskjuvning, deras Youngs modul, vätbarhet och tjocklek.
Bortsett från kristallisationsbeväxning använde Schmid och teamet partikelbeväxning genom att sedimentera mikrobeläggningar på beläggningen som en annan delmängd av metoden. De flesta mikroföroreningar var mindre än beläggningens tjocklek, även om is- och hydratföroreningar överskred denna tjocklek. Forskarna utförde ytterligare experiment för att upptäcka interaktioner mellan mikrobeläggningsmedel och beläggning.
Befintlig forskning har visat hur enhetliga, icke-porösa hydrogeler med lågt svällningsbeteende kräver en polymerhalt på minst 40 viktprocent. För att följa en liknande tillverkningsprocess valde Schmid och kollegor att öka polymerhalten i beläggningen till 50 viktprocent, vilket negativt påverkade beläggningens vidhäftnings- och borttagningsegenskaper.
Resultaten framhävde den utmärkta skalfobiciteten hos beläggningen. Till exempel avlägsnades de första kristalliterna från den mikrotexturerade polymeren nästan omedelbart efter initiering av flöde. Redan från början tog teamet bort ett stort antal kristalliter för att få en nästan ren yta för att framhäva skalfobicitetsegenskaperna hos den designade beläggningen under turbulenta flödesförhållanden.
Outlook
På detta sätt införlivade Julian Schmid och team adhesion och gränssnittsfluidiska teorier för att utveckla en metod för att studera den underliggande fysiken för vidhäftning av mikrofoulant på och avlägsnande från konstruerade material. De utvecklade denna teknik baserat på en tidigare etablerad metod för att analysera bottenfärgmaterial för att förbättra tillvägagångssättet för att studera bottenfärgning.
Metoden gav insikter i dynamiken i beläggningens fulla beteende. Resultaten avslöjade interaktionerna mellan föroreningar, substrat och vatten för att avlägsna ytvidhäftade kristalliter under flödesförhållanden. Teamet utforskade mångsidigheten hos antifouling-material och hur designstrategierna varierade beroende på den dominerande nedsmutsningsmekanismen.
Till exempel, med partikelbeläggning, fungerade styva beläggningsytor bra, medan mjuk beläggning överträffade kristallisationsbeläggning. Hydrogeler å andra sidan hade ett lågt polymerinnehåll och visade därför utmärkta borttagningsförmåga för både mikrobeläggningsmedel och kristalliter. För icke-porösa och hydrofila hydrogeler måste polymerinnehållet ökas, vilket Schmid och team mildrade genom att mikrotexturera ytan.
Materialforskarna insåg i sig skalfobiska ytor och mikrotexturerade mjuka hydrogeler för att ta bort dominerande områden av kristalliter. Resultaten ger betydande detaljer för design av antifouling och skalfobiska ytor för vidhäftning och gränssnittstransportforskning under värmeöverförings- och flödesförhållanden.
Mer information: Julian Schmid et al, Att förmedla skalfobicitet med rationell mikrotexturering av mjuka material, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2024 Science X Network
