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纳米材料

纳米材料

‘Crystal critters’从咸溶液中排出

13 May 2021 IsabelleDumé.
水晶机器人
"水晶渣". (Courtesy: K Varanasi and colleagues)

结晶矿物质的球体可以在蒸发时自发地从盐溶液中喷射。这一意外的现象是由Massachusetts理工学院(麻省理工学院)的研究人员观察到的意外现象,以防止与海水长时间接触的管道和其他结构损坏。根据研究领导者 Kripa Varanasi.,效果甚至可能允许未处理的咸水用于某些工业冷却系统。

当沉淀剂如盐和其他溶解的矿物质积聚在物质上时,经常被称为晶体或矿物污垢的损伤。这种损坏对水处理,热电发电和许多其他工业过程带来了问题。它不仅降低了这些过程的效率,还需要通常昂贵的解决方案,例如水预处理,以对抗效果。

Spindly“腿状”结构

在他们的新工作中,瓦拉纳西和他的同事 萨曼莎麦克布莱德Henri-Louis Girard 研究了含有氯化钠(NaCl)的5μl水滴从加热至90℃的超疏水表面蒸发。在纳米尖端的尖头特征和山谷中覆盖了这种表面或“纳米草”。

他们发现在蒸发过程中,蒸发盐最初在液滴周围形成球状球 - 那里没有似然。然而,在蒸发的最后阶段,研究人员感到惊讶地看到这些球形壳体突然抬起来自表面上不同的接触点的主体腿状结构。然后,该过程重复,产生多级形状(取决于你的看法)类似章鱼,大象或水母。研究人员称这些结构“水晶渣”。

支撑这些细菌的窄腿继续从接触点向上生长,直到下降中的所有水蒸发。然后,腿开始逐渐逐渐逐渐逐渐逐渐缩小,因为在蒸发过程的末端附近的水(因此较少溶解的盐),直到结构在其尖端上类似于冰柱。最终,腿变得很长,以至于它们不能支持压力器的体重,因此Critter突破并远离了。

受控的压力射出

研究人员发现,结晶突起生长的速率随温度而增加。这表明剥离过程可以加速,以最小化晶体花在表面上的时间。研究人员还表明,它们可以通过在表面上产生热梯度来使细胞卷起特定方向。因为腿在冷却器的侧面较短(并且在较温暖的侧面上的侧面更长),所以晶体结构倾向于倾斜并沿较低温度的方向滚动。随着剩余的水继续蒸发,新腿在晶体的第二位置形成。实际上,晶体结构可以在下降完全蒸发之前滚动两个甚至三次。

McBride解释说,效果还取决于疏水表面上的特征的纹理和长度比例。如果没有仔细控制这些参数,咸水下降将简单地被捕获在纳米纹理内并形成一个球体而不会抬起。例如,具有0.1至1μm的脊的纳米腺体形成细胞,但是具有规则间隔的微孔10μm长的一个,尽管具有与具有纳米草原纹理的接触角相似的接触角,但是没有垂直生长或自喷射。 McBride表示,在具有10μm平方孔的超疏水微孔基材上的实验也未能形成晶体渣油。

限制缩放形成

一位机械工程师瓦拉纳西建议新发现的效果可以有助于限制管道内部的矿物尺度的形成,在那里它会导致堵塞。它对海洋环境中的其他金属结构也可能是有用的,或者在陆地上暴露在海水中。例如,当它们的表面被污染时,热交换器变得效率远得多,并且瓦拉纳西指出,表面污垢是水分配管,地热井,海水淡化植物和许多可再生能源系统的主要问题。

“好消息是制造纹理的超疏水表面的方法已经发生了很好的发展,因此实施我们在工业规模上观察到的效果应该相对较快,”瓦拉纳西说。他补充说,利用效果甚至可以使用盐水用于冷却系统,否则可能需要有价值,通常有限的淡水供应。当然,在可能的情况下,使用海水可以在可能的情况下对环境更好。

研究人员,谁报告他们的工作 科学推进说,说他们现在计划继续在其他纳米纹理材料中研究异常的自我喷射。 “这将使我们能够更好地了解如何在现实世界系统中实施效果,包括热交换表面,”瓦拉纳西告诉 物理世界.

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者