水晶生物:通过使它“腿”和自弹子来脱水水

水晶机器人

当研究人员开始研究盐在某些表面上结晶时,他们发现该过程重复生产可预测的多腿形状。研究人员将它们统称为他们纸张标题中的“水晶渣”。信贷:由研究人员提供

研究人员发现,结晶盐可以生长“腿”,然后倾斜并掉落,潜在有助于防止金属表面的污垢。

大约四分之一的工业化国家国内生产国总产量的百分之一度估计通过单一技术问题丧失:盐和其他溶解矿物的热交换器表面的污染。这种污染降低了多种工业过程的效率,并且通常需要昂贵的对策,例如水预处理。现在,发现麻省理工学院可能导致一种降低这种污染的新方法,并且可能甚至能够将这种有害的过程转化为能够产生可销售产品的有效产品。

该调查结果是最近的MIT毕业生萨曼莎麦格莱德博士的结果,以及Henri -Louis Girard博士学位,与机械工程教授Kripa Varanasi教授。这项工作今天报道了在期刊上科学推进表明,由于疏水性(水排斥)表面和热量的组合,溶解的盐可以以一种方式结晶,使其容易从表面移除它们,在某些情况下通过单独的重力。

当研究人员开始研究盐结晶在这种表面上时,他们发现沉淀盐初始形成液滴周围的部分球形壳。出乎意料的是,这种壳将突然在蒸发过程中生长的一组长腿腿部延伸。该过程重复生产多龙形状,类似大象和其他动物,甚至是SCI-FI Droids。研究人员在纸张标题中被称为“水晶渣”。

经过多次实验和详细分析,团队确定了生产这些腿状突起的机制。他们还展示了突起如何根据温度和疏水表面的性质而变化,这是通过产生低脊的纳米级图案而产生的。他们发现,窄腿悬挂在底部继续向上升高,随着咸水向下流过吸管的腿并在底部沉淀出来,稍微像冰柱一样沉淀出来,只有在冰柱上略微落下小费。最终,腿变得很长时间,他们无法支持压力器的重量,盐晶的斑点突破并落后或被扫除。

Varanasi说,这项工作是通过限制或阻止形成缩放的形成,包括内部管道,其中缩放可以导致阻塞,瓦拉纳西说。“Samantha的实验表明了这种有趣的效果,在那里的比例几乎突然出现,”他说。

“这些腿是中空管,并且液体通过这些管汇流。一旦它击中底部并蒸发,它就会形成新的晶体,麦克布莱德说。“到底,你在衬底和晶体之间有非常有限的接触,到这些点就可以自行滚动。”

McBride recalls that in doing the initial experiments as part of her doctoral thesis work, “we definitely suspected that this particular surface would work well for eliminating sodium chloride adhesion, but we didn’t know that a consequence of preventing that adhesion would be the ejection of the entire thing” from the surface.

她发现一个钥匙是表面上图案的精确比例。虽然许多不同长度的图案化可以产生疏水表面,但只有纳米级的图案才能实现这种自动喷射效果。“当你在超疏水表面上蒸发一滴盐水时,通常会发生什么是那些晶体开始进入纹理并形成全球,而且它们不会最终提升,”麦克布莱德说。“所以它是我们在这里看的纹理和长度刻度的东西,这允许这种效果发生这种效果。”

这种自喷射过程仅基于通过蚀刻,磨损或涂覆容易地通过蚀刻,磨损或涂覆而容易地产生的表面蒸发,这可能是各种过程的福音。海洋环境中的各种金属结构或暴露于海水遭受缩放和腐蚀。研究人员说,该发现还可以实现新方法来调查缩放和腐蚀机制。

通过改变表面的热量,研究人员发现,甚至可以使晶体形成在特定方向上滚动。温度越高,这些形式的生长和剥离越快,最小化晶体阻断表面的时间量。

热交换器用于各种不同的过程,其效率受到任何表面污垢的强烈影响。瓦拉纳西独自损失,等于美国和其他工业化国家的GDP的百分之一季度。但污染也是许多其他领域的主要因素。它影响水分配系统,地热井,农业环境,海水淡化植物和各种可再生能源系统和二氧化碳转化方法的管道。

瓦拉纳西说,这种方法甚至可能在某些过程中使用未处理的咸水,这在不实用的过程中,例如在一些工业冷却系统中。此外,在一些情况下,回收的盐和其他矿物质可以是可销售的产品。

虽然初步实验用普通的氯化钠进行,但预计其他种类的盐或矿物质会产生类似的效果,并且研究人员继续探讨该过程的延伸到其他类型的解决方案。

由于制造卫生表面的纹理的方法已经发达地发达,因此在大型工业规模实施该过程应相对较快,并且可以使咸水或薄薄的水用于冷却系统,否则将需要使用有价值,通常有限的淡水。例如,在美国,每年使用一万亿加仑的淡水,用于冷却。典型的600兆瓦电厂每年消耗大约10亿加仑的水,这可能足以为10万人提供服务。这意味着,在可能的情况下,使用海水可以帮助缓解淡水稀缺问题。

“这项工作表明了一个显着且有趣的现象,”机械工程教授Neelesh Patankar说西北大学,谁没有与这项研究有关。他说,调查结果“可能导致一种完全新的方法来减轻工业过程中的矿物污染。这不仅是从基本科学的角度兴趣的,在我看来也是实际重要性的。“

参考:“水晶生物:来自加热,超疏水表面的晶体的自来圈”由Samantha A. McBride,Henri-Louis Girard和Kripa K. Varanasi,4月28日,4月28日,科学推进
DOI:10.1126 / sciadv.abe6960

该工作得到了欧居通过麻省理工学院能源倡议,麻省理工学院Martin奖学金计划和国家科学基金会的支持。

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