現(xiàn)在，來自麻省理工學(xué)院(MIT)的研究結(jié)果可能會帶來一種減少這種污染的新方法，甚至有可能將這種有害的過程轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)過程從而生產(chǎn)出可銷售的產(chǎn)品。
這些發(fā)現(xiàn)是麻省理工學(xué)院(MIT)的Samantha McBride和Henri-Louis Girard跟機械工程教授Kripa Varanasi聯(lián)合研究多年的成果。日前發(fā)表在《Science Advances》上的這項研究表明，由于疏水表面和熱量的結(jié)合，溶解的鹽可以發(fā)生結(jié)晶，在某些情況下，僅靠重力就可以很容易地將它們從表面除去。
當(dāng)研究人員開始研究鹽在這種表面上結(jié)晶的方式時，他們發(fā)現(xiàn)，沉淀的鹽最初會在液滴周圍形成部分球形殼。出乎意料的是，在蒸發(fā)過程中，這種貝殼會突然在一組細(xì)長的腿狀延伸物上上升。這一過程反復(fù)產(chǎn)生了多足的形狀，它們像大象和其他動物甚至像科幻小說中的機器人。研究人員在論文標(biāo)題中將這些巖層稱為“水晶生物”。
在經(jīng)過多次實驗和詳細(xì)分析之后，該團(tuán)隊確定了產(chǎn)生這些腿狀突起的機制。另外他們還展示了凸起是如何根據(jù)溫度和疏水表面的性質(zhì)而變化的，疏水表面是通過創(chuàng)建一個低脊的納米級圖案而產(chǎn)生的。他們發(fā)現(xiàn)，支撐著這些生物狀形體的狹窄的腿會繼續(xù)從底部向上生長，因為咸水會通過吸管狀的腿向下流動并在底部沉淀，這有點像一個正在生長的冰柱，只是它在頂端保持平衡。最終，它們的腿變得太長以至于無法支撐它們的重量，此時這一團(tuán)鹽晶體就會脫落、掉落或被沖走。
Varanasi表示，這項工作的動機是希望限制或防止表面的結(jié)垢--包括管道內(nèi)部的結(jié)垢，因為這些結(jié)垢可能導(dǎo)致堵塞。
“這些腿是空心管，液體通過這些管呈漏斗狀向下流動。一旦它到達(dá)底部并蒸發(fā)就會形成新的晶體進(jìn)而不斷增加管的長度。最終，襯底和晶體之間的接觸非常有限，直到它們自己滾動，”McBride說道。
McBride回憶稱，在最初的實驗過程中，他們懷疑這個特殊的表面能很好地消除氯化鈉的粘附，但他們不知道阻止粘附的結(jié)果是整個東西從表面上被噴射出來。
McBride發(fā)現(xiàn)的一個關(guān)鍵是表面圖案的精確比例。雖然許多不同長度尺度的圖案都能產(chǎn)生疏水表面，但只有納米尺度的圖案才能達(dá)到這種自我噴射效果。“當(dāng)你在超疏水表面蒸發(fā)一滴鹽水時通常會發(fā)生的是，這些晶體開始進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部并形成一個球體，最終它們不會離開。所以，我們在這里觀察的是關(guān)于質(zhì)地和長度范圍的一些非常具體的東西，它們允許這種效果發(fā)生?！?/p>
這種基于表面蒸發(fā)的自我噴射過程其紋理可以通過蝕刻、磨損或涂層很容易地產(chǎn)生，它可以為多種工藝提供便利。各種金屬結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中或暴露在海水中都會發(fā)生結(jié)垢和腐蝕。研究人員稱，這些發(fā)現(xiàn)還可能為研究結(jié)垢和腐蝕機制提供新的方法。
另外研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過改變晶體表面的熱量甚至有可能讓晶體結(jié)構(gòu)朝著特定的方向滾動。溫度越高，這些形式的生長和脫離發(fā)生得越快并能減少晶體阻塞表面的時間。
熱交換器用于各種不同的過程，其效率受到任何表面污垢的強烈影響。Varanasi表示，僅這些損失就相當(dāng)于美國和其他工業(yè)化國家GDP的四分之一。但污染也是許多其他地區(qū)的一個主要因素。它影響到輸水系統(tǒng)的管道、地?zé)峋?、農(nóng)業(yè)設(shè)施、海水淡化廠以及各種可再生能源系統(tǒng)和二氧化碳轉(zhuǎn)換方法。
Varanasi指出，這種方法甚至可以使未經(jīng)處理的鹽水在某些不可行的過程中使用。此外，在某些情況下，回收的鹽和其他礦物還可以成為可銷售的產(chǎn)品。
雖然最初的實驗是用普通的氯化鈉完成的，但其他種類的鹽或礦物質(zhì)預(yù)計也會產(chǎn)生類似的效果，研究人員正在繼續(xù)探索將這一過程擴展到其他種類的溶液。
Varanasi指出，因為制造疏水表面的紋理的方法已經(jīng)發(fā)展得很好，所以大規(guī)模工業(yè)化實施這一過程應(yīng)該會相對迅速，并且可以使用含鹽或微咸的水來冷卻系統(tǒng)，否則就需要使用有價值且通常有限的淡水。
“這項工作顯示了一個顯著而有趣的現(xiàn)象，”來自西北大學(xué)的機械工程教授Neelesh Patankar--他沒有參與這項研究--說道，“這些發(fā)現(xiàn)可能會帶來一種全新的方法來減輕工業(yè)過程中的礦物污染。在我看來，這項工作不僅從基礎(chǔ)科學(xué)的角度來看非常有趣，而且還具有實際意義?！?/p>
