Il processo di cristallizzazione delle incrostazioni è un fenomeno in cui si formano incrostazioni sulle superfici. È molto diffuso nella natura e nella tecnologia e colpisce i settori dell’energia e dell’acqua. Nonostante i tentativi precedenti, le superfici progettate razionalmente con resistenza intrinseca rimangono sfuggenti a causa della mancanza di comprensione di come le microincrostazioni aderiscono in ambienti acquosi dinamici.
In uno studio ora pubblicato su Science Advances , Julian Schmid e un team di ricercatori in ingegneria delle superfici in Svizzera e negli Stati Uniti hanno studiato la dinamica interfacciale delle microincrostazioni utilizzando un sistema di misura fluidodinamico a microscansione per dimostrare un rivestimento sviluppato razionalmente che rimuove il 98% dei depositi in condizioni di flusso di taglio.
L’acqua e l’energia sono risorse interconnesse, dove l’acqua è necessaria per produrre energia per il trasporto, la desalinizzazione e il trattamento delle acque. La natura limitata di queste risorse e le crescenti sfide globali, tra cui il cambiamento climatico e la crescita della popolazione, tuttavia, le sottopongono a uno stress crescente. I metodi passivi per respingere la formazione di incrostazioni includono l'ingegneria delle superfici, i materiali interfacciali e i rivestimenti, che rappresentano alternative interessanti per la sostenibilità e sono anche efficienti in termini di costi.
I ricercatori si erano precedentemente concentrati anche sullo sviluppo di superfici antivegetative rigide che alterano l'energia superficiale dei materiali per eliminare le incrostazioni. Gli scienziati dei materiali hanno mostrato un crescente interesse per lo sviluppo di materiali interfacciali e rivestimenti che migliorino le proprietà antivegetative utilizzando le barriere intrinseche del materiale.
In questo nuovo lavoro, Schmid e colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per studiare la fisica dell'adesione dei microfoulant e hanno creato un indicatore fluidodinamico a microscansione. Gli scienziati hanno rivelato tre meccanismi alla base della rimozione delle microincrostazioni per progettare un rivestimento microstrutturato e ne hanno testato la scalabilità in condizioni di flusso laminare e turbolento. Il risultato può far luce sulle proprietà della cristallizzazione e dell'incrostazione del particolato e portare alla progettazione di materiali interfacciali come superfici antivegetative per affrontare le sfide del nesso acqua-energia.
La natura presenta esempi eccezionali di super-bagnabilità e sistemi di trasporto che hanno contribuito allo sviluppo di substrati repellenti bioispirati per lo studio della dinamica delle interazioni cristalliti-acqua. Schmid e colleghi hanno quantificato la rimozione delle microincrostazioni dai substrati con conformità variabile determinandone la bagnabilità superficiale. Ad esempio, per rimuovere i cristalliti di carbonato di calcio, il team ha utilizzato un flusso di taglio laminare dell'acqua regolabile e contemporaneamente ha visualizzato il processo pompando acqua attraverso un capillare di vetro per generare stress di taglio.
Schmid e il team hanno quantificato anche il processo di rimozione passiva degli aggregati guidato dal taglio. Ad esempio, quando il team ha applicato il metodo a un substrato di vetro rigido che aveva subito incrostazioni di cristallizzazione sotto flusso di taglio, hanno osservato il cambiamento del numero di cristalliti sulla superficie rispetto al valore iniziale. Tali superfici di vetro possono essere rese idrofobe mediante trattamento con fluorosilano e un silicone morbido per evidenziare la natura complessa delle interazioni substrato-cristallite e dimostrare le proprietà superficiali con microincrostazioni.
I singoli eventi di rimozione dei cristalliti sono stati rapidi, il che ha implicazioni sostanziali per i materiali antivegetativi o anticalcare poiché consente la rimozione dei cristalliti prima della formazione di tenaci strati di incrostazioni. Per comprendere i meccanismi alla base della maggiore repellenza verso il rivestimento a base di incrostazioni, gli scienziati dei materiali hanno sostituito cristalliti a scaglie complesse di dimensioni variabili con microparticelle di polistirene sferiche di dimensioni comparabili per studiare l'effetto del taglio dell'acqua, il modulo di Young, la bagnabilità e lo spessore.
Oltre alle incrostazioni da cristallizzazione, Schmid e il team hanno utilizzato le incrostazioni da particolato depositando microincrostazioni sul rivestimento come un altro sottoinsieme del metodo. La maggior parte delle microincrostazioni erano più piccole dello spessore del rivestimento, sebbene le incrostazioni di ghiaccio e idrati superassero questo spessore. Gli scienziati hanno eseguito ulteriori esperimenti per rilevare le interazioni tra microfoulant e rivestimento.
La ricerca esistente ha dimostrato come idrogel uniformi e non porosi con un basso comportamento di rigonfiamento richiedano un contenuto di polimero pari ad almeno il 40% in peso. Per seguire un processo di fabbricazione simile, Schmid e colleghi hanno deciso di aumentare il contenuto di polimero del rivestimento al 50% in peso, il che ha influito negativamente sulle proprietà di adesione e rimozione del rivestimento.
I risultati hanno evidenziato l'eccellente insensibilità alle incrostazioni del rivestimento. Ad esempio, i primi cristalliti sono stati rimossi dal polimero microstrutturato quasi immediatamente dopo l’inizio del flusso. Fin dall'inizio, il team ha rimosso un numero considerevole di cristalliti per ottenere una superficie quasi pulita ed evidenziare le proprietà di anticalcare del rivestimento progettato in condizioni di flusso turbolento.
Prospettive
In questo modo, Julian Schmid e il suo team hanno incorporato le teorie dell'adesione e della fluidica interfacciale per sviluppare un metodo per studiare la fisica sottostante l'adesione e la rimozione dei microincrostanti sui materiali ingegnerizzati. Hanno sviluppato questa tecnica sulla base di un metodo precedentemente stabilito per analizzare i materiali antivegetativi per migliorare l'approccio allo studio dell'antivegetativa.
Il metodo ha fornito informazioni dettagliate sulla dinamica del comportamento completo del rivestimento. I risultati hanno rivelato le interazioni tra incrostazioni, substrati e acqua per rimuovere i cristalliti aderenti alla superficie in condizioni di flusso. Il team ha esplorato la versatilità dei materiali antivegetativi e il modo in cui le strategie di progettazione variavano a seconda del meccanismo di incrostazione dominante.
Ad esempio, con le incrostazioni da particolato, le superfici del rivestimento rigido hanno funzionato bene, mentre il rivestimento morbido ha sovraperformato con le incrostazioni da cristallizzazione. Gli idrogel invece avevano un basso contenuto di polimeri e quindi mostravano eccellenti prestazioni di rimozione sia dei microincrostazioni che dei cristalliti. Per gli idrogel non porosi e idrofili, il contenuto di polimero doveva essere aumentato, cosa che Schmid e il team hanno mitigato microtesturizzando la superficie.
Gli scienziati dei materiali hanno realizzato superfici intrinsecamente anscalefobiche e idrogel morbidi microstrutturati per rimuovere le regioni predominanti di cristalliti. I risultati forniscono dettagli significativi per la progettazione di superfici antivegetative e anticalcare per la ricerca sull'adesione e sul trasporto interfacciale in condizioni di trasferimento e flusso di calore.
Ulteriori informazioni: Julian Schmid et al, Impartire la fobicità delle scale con la microstrutturazione razionale di materiali morbidi, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324
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