Mikroteksturerende bløde materialer til at fjerne vandige mikrobegroninger

Processen med krystallisationsbegroning er et fænomen, hvor der dannes skæl på overflader. Det er udbredt i natur og teknologi og påvirker energi- og vandindustrien. På trods af tidligere forsøg forbliver rationelt designede overflader med iboende modstand undvigende på grund af manglende forståelse for, hvordan mikrobegroninger klæber i dynamiske vandige miljøer.

I en undersøgelse, der nu er offentliggjort i Science Advances , Julian Schmid og et team af forskere inden for overfladeteknik i Schweiz og USA undersøgte grænsefladedynamikken af ​​mikrobegroninger ved at bruge et mikroscanning væskedynamisk målesystem til at demonstrere en rationelt udviklet belægning, der fjerner 98 % af aflejringer under forskydningsstrømningsforhold.

Dynamikken i vand og energi

Vand og energi er indbyrdes forbundne ressourcer, hvor der kræves vand til at producere energi til transport, afsaltning og vandbehandling. Disse ressourcers begrænsede karakter og voksende globale udfordringer, herunder klimaændringer og befolkningstilvækst, sætter dem imidlertid under øget stress. Passive metoder til at afvise kalkdannelse omfatter overfladeteknik, grænsefladematerialer og belægninger, som er attraktive alternativer til bæredygtighed og også er omkostningseffektive.

Forskere havde også tidligere fokuseret på at udvikle stive antifouling-overflader, der ændrer overfladeenergien af ​​materialer for at eliminere begroning. Materialeforskere har vist en voksende interesse i udviklingen af ​​grænsefladematerialer og belægninger, der forbedrer antifouling-egenskaber ved hjælp af materialets iboende barrierer.

I dette nye arbejde udviklede Schmid og kolleger en ny metode til at studere fysikken i mikrobegroningsmiddeladhæsion og skabte en dynamisk mikroscanningsvæskemåler. Forskerne afslørede tre underliggende mekanismer til fjernelse af mikrobegroning for at designe en mikrotekstureret belægning og testede dens skalerbarhed under laminære og turbulente strømningsforhold. Resultatet kan kaste lys over egenskaber ved krystallisation og partikelbegroning og føre til design af grænsefladematerialer som antibegroningsoverflader for at imødegå udfordringerne i forbindelsen mellem vand og energi.

Bioinspirerede materialer

Naturen byder på exceptionelle eksempler på superbefugtnings- og transportsystemer, der har bidraget til udviklingen af ​​bioinspirerede frastødende substrater til undersøgelse af dynamikken i krystallit-vand-interaktioner. Schmid og kolleger kvantificerede mikrobegroningsfjernelsen fra substrater med varierende overensstemmelse ved at bestemme deres overfladebefugtningsevne. For at fjerne calciumcarbonatkrystallitter brugte holdet f.eks. en afstembar laminær vandforskydningsstrøm og visualiserede samtidig processen ved at pumpe vand gennem en glaskapillær for at generere forskydningsspænding.

Schmid og teamet kvantificerede også den passive forskydningsdrevne tilslagsfjernelsesproces. For eksempel, da holdet anvendte metoden på et stift glassubstrat, der havde gennemgået krystallisationsbegroning under forskydningsflow, observerede de det skiftende antal krystallitter på overfladen i forhold til den oprindelige værdi. Sådanne glasoverflader kan gøres hydrofobe ved behandling med fluorsilan og en blød silikone for at fremhæve den indviklede natur af substrat-krystallit-interaktioner og demonstrere overfladeegenskaber med mikrobegroningsmidler.

Model mikrobegroninger

De individuelle hændelser med fjernelse af krystallitter var hurtige, hvilket har væsentlige konsekvenser for antifouling eller skælfobiske materialer, da det tillader fjernelse af krystallitter før opbygningen af ​​sejlivede skællag. For at forstå de mekanismer, der ligger til grund for forbedret afvisning mod kedelstensbaseret belægning, erstattede materialeforskerne komplekse krystallitter, der varierer i størrelse, med sfæriske polystyrenmikropartikler af sammenlignelig størrelse for at studere virkningen af ​​vandforskydning, deres Young's modul, befugtningsevne og tykkelse.

Bortset fra krystallisationsbegroning brugte Schmid og teamet partikelbegroning ved at sætte mikrobegroninger på belægningen som en anden undergruppe af metoden. De fleste mikrobegroningsmidler var mindre end belægningens tykkelse, selvom is- og hydratbegroningsmidler oversteg denne tykkelse. Forskerne udførte yderligere eksperimenter for at detektere interaktionerne mellem mikrobegroning og belægning.

Design og udvikling af en skalafobisk belægning

Eksisterende forskning har vist, hvordan ensartede, ikke-porøse hydrogeler med lav kvældningsadfærd kræver et polymerindhold på mindst 40 vægt%. For at følge en lignende fremstillingsproces valgte Schmid og kolleger at øge polymerindholdet i belægningen til 50 vægt-%, hvilket påvirkede belægningens vedhæftnings- og fjernelsesegenskaber negativt.

Resultaterne fremhævede belægningens fremragende skala-fobicitet. For eksempel blev de første krystallitter fjernet fra den mikroteksturerede polymer næsten umiddelbart efter initiering af strømning. Fra begyndelsen fjernede holdet et betydeligt antal krystallitter for at opnå en næsten ren overflade for at fremhæve egenskaberne af skalafobicitet af den designet belægning under turbulente strømningsforhold.

Outlook

På denne måde inkorporerede Julian Schmid og team adhæsion og grænsefladefluidiske teorier for at udvikle en metode til at studere den underliggende fysik af mikrobegroningsadhæsion på og fjernelse fra konstruerede materialer. De udviklede denne teknik baseret på en tidligere etableret metode til at analysere antifouling-materialer for at forbedre tilgangen til undersøgelse af antifouling.

Metoden gav indsigt i dynamikken i belægningens fulde opførsel. Resultaterne afslørede interaktionerne mellem foulants, substrater og vand for at fjerne overfladeklæbende krystallitter under strømningsbetingelser. Holdet undersøgte alsidigheden af ​​antibegroningsmaterialer, og hvordan designstrategierne varierede afhængigt af den dominerende begroningsmekanisme.

For eksempel, med partikelbegroning, klarede stive belægningsoverflader sig godt, hvorimod blød belægning klarede sig bedre med krystallisationsbegroning. Hydrogeler havde på den anden side et lavt polymerindhold og viste derfor fremragende fjernelsesevne for både mikrobegroningsmidler og krystallitter. For ikke-porøse og hydrofile hydrogeler måtte polymerindholdet øges, hvilket Schmid og team afbød ved at mikroteksturere overfladen.

Materialeforskerne realiserede iboende skalafobiske overflader og mikroteksturerede bløde hydrogeler for at fjerne dominerende områder af krystallitter. Resultaterne giver væsentlige detaljer til design af antifouling og scalefobiske overflader til adhæsion og grænsefladetransportforskning under varmeoverførsels- og strømningsforhold.

Flere oplysninger: Julian Schmid et al., Formidling af skalafobicitet med rationel mikroteksturering af bløde materialer, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

© 2024 Science X Network