Si stima che circa un quarto di punto percentuale dell'intero prodotto interno lordo dei paesi industrializzati vada perso a causa di un unico problema tecnico:l'incrostazione delle superfici degli scambiatori di calore da parte di sali e altri minerali disciolti. Queste incrostazioni riducono l'efficienza di molteplici processi industriali e spesso richiedono contromisure costose come il pretrattamento dell'acqua. Ora, i risultati del MIT potrebbero portare a un nuovo modo di ridurre tali incrostazioni, e potenzialmente anche consentire di trasformare quel processo deleterio in uno produttivo in grado di produrre prodotti vendibili.

I risultati sono il risultato di anni di lavoro dei neolaureati del MIT Samantha McBride Ph.D. '20 e Henri-Louis Girard Ph.D. '20 con il professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi. Il lavoro, riportato sul giornale Progressi scientifici , mostra che a causa di una combinazione di superfici idrofobe (idrorepellenti) e calore, i sali disciolti possono cristallizzare in modo da facilitarne la rimozione dalla superficie, in alcuni casi solo per gravità.

Quando i ricercatori hanno iniziato a studiare il modo in cui i sali cristallizzano su tali superfici, hanno scoperto che il sale precipitante formerebbe inizialmente un guscio sferico parziale attorno a una gocciolina. inaspettatamente, questo guscio si solleverebbe poi improvvisamente su una serie di esili estensioni simili a gambe cresciute durante l'evaporazione. Il processo ha prodotto ripetutamente forme a più gambe, somiglianti a elefanti e altri animali, e persino droidi di fantascienza. I ricercatori hanno soprannominato queste formazioni "creature di cristallo" nel titolo del loro articolo.

Dopo molti esperimenti e analisi dettagliate, il team ha determinato il meccanismo che stava producendo queste sporgenze simili a gambe. Hanno anche mostrato come le sporgenze variassero a seconda della temperatura e della natura della superficie idrofoba, che è stato prodotto creando un modello su nanoscala di creste basse. Hanno scoperto che le gambe strette che sostengono queste forme simili a creature continuano a crescere verso l'alto dal basso, mentre l'acqua salata scorre verso il basso attraverso le gambe simili a paglia e precipita sul fondo, un po' come un ghiacciolo che cresce, equilibrato solo sulla punta. Alla fine le zampe diventano così lunghe che non sono in grado di sostenere il peso della creatura, e la goccia di cristallo di sale si stacca e cade o viene spazzata via.

Il lavoro è stato motivato dalla volontà di limitare o prevenire la formazione di incrostazioni sulle superfici, anche all'interno di tubi dove tale incrostazione può portare a blocchi, dice Varanasi. "L'esperimento di Samantha ha mostrato questo effetto interessante in cui la scala si stacca praticamente da sola, " lui dice.

"Queste gambe sono tubi cavi, e il liquido viene incanalato attraverso questi tubi. Una volta che tocca il fondo ed evapora, forma nuovi cristalli che aumentano continuamente la lunghezza del tubo, " dice McBride. "Alla fine, hai molto, contatto molto limitato tra il substrato e il cristallo, al punto in cui questi rotolano via da soli".

McBride ricorda che nel fare gli esperimenti iniziali come parte del suo lavoro di tesi di dottorato, "sospettavamo decisamente che questa particolare superficie avrebbe funzionato bene per eliminare l'adesione del cloruro di sodio, ma non sapevamo che una conseguenza dell'impedire quell'adesione sarebbe stata l'espulsione dell'intera cosa" dalla superficie.

Una chiave, lei trovò, era la scala esatta dei modelli sulla superficie. Mentre molte diverse scale di lunghezza del modello possono produrre superfici idrofobiche, solo i modelli su scala nanometrica ottengono questo effetto di autoespulsione. "Quando fai evaporare una goccia di acqua salata su una superficie superidrofobica, di solito quello che succede è che quei cristalli iniziano a entrare nella trama e formano solo un globo, e non finiscono per sollevarsi, " Dice McBride. "Quindi è qualcosa di molto specifico sulla trama e la scala di lunghezza che stiamo osservando qui che consente a questo effetto di verificarsi".

Questo processo di autoespulsione, basato semplicemente sull'evaporazione da una superficie la cui consistenza può essere facilmente prodotta mediante incisione, abrasione, o rivestimento, potrebbe essere un vantaggio per un'ampia varietà di processi. Tutti i tipi di strutture metalliche in ambiente marino o esposte all'acqua di mare soffrono di incrostazioni e corrosione. I risultati possono anche consentire nuovi metodi per studiare i meccanismi di ridimensionamento e corrosione, dicono i ricercatori.

Variando la quantità di calore lungo la superficie, è anche possibile far rotolare le formazioni cristalline in una direzione specifica, i ricercatori hanno scoperto. Più alta è la temperatura, più veloce è la crescita e il decollo di queste forme, minimizzando il tempo in cui i cristalli bloccano la superficie.

Gli scambiatori di calore sono utilizzati in un'ampia varietà di processi diversi, e la loro efficienza è fortemente influenzata da eventuali incrostazioni superficiali. Quelle perdite da sole, Varanasi dice, pari a un quarto di punto percentuale del PIL degli Stati Uniti e di altre nazioni industrializzate. Ma il fouling è anche un fattore importante in molte altre aree. Colpisce le tubazioni negli impianti di distribuzione dell'acqua, pozzi geotermici, ambienti agricoli, impianti di desalinizzazione, e una varietà di sistemi di energia rinnovabile e metodi di conversione dell'anidride carbonica.

Questo metodo, Varanasi dice, potrebbe anche consentire l'uso di acqua salata non trattata in alcuni processi in cui ciò non sarebbe altrimenti pratico, come in alcuni sistemi di raffreddamento industriali. Ulteriore, in alcune situazioni i sali e altri minerali recuperati potrebbero essere prodotti vendibili.

Mentre gli esperimenti iniziali sono stati fatti con il normale cloruro di sodio, ci si aspetta che altri tipi di sali o minerali producano effetti simili, ei ricercatori stanno continuando a esplorare l'estensione di questo processo ad altri tipi di soluzioni.

Poiché i metodi per realizzare le trame per produrre una superficie idrofoba sono già ben sviluppati, Varanasi dice, l'attuazione di questo processo su larga scala industriale dovrebbe essere relativamente rapida, e potrebbe consentire l'uso di acqua salata o salmastra per sistemi di raffreddamento che altrimenti richiederebbero l'uso di acqua dolce preziosa e spesso limitata. Per esempio, solo negli Stati Uniti, un trilione di galloni di acqua dolce vengono utilizzati all'anno per il raffreddamento. Una tipica centrale elettrica da 600 megawatt consuma circa un miliardo di galloni di acqua all'anno, che potrebbe essere sufficiente per servire 100, 000 persone. Ciò significa che l'utilizzo dell'acqua di mare per il raffreddamento, ove possibile, potrebbe aiutare ad alleviare un problema di scarsità di acqua dolce.