标牌盐水蚀刻机(MIT开发出新盐水分离法：让盐长“腿”并自我弹射)

Posted 2023-05-29

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标牌盐水蚀刻机(MIT开发出新盐水分离法：让盐长“腿”并自我弹射)

据外媒报道，据估计，工业化国家的整个国内生产总值约四分之一是由于一个技术问题而损失的：热交换器表面被盐和其他溶解矿物污染。这种污染降低了多个工业过程的效率，对此所采取的对策往往都是昂贵的，如水预处理。

现在，来自麻省理工学院(MIT)的研究结果可能会带来一种减少这种污染的新方法，甚至有可能将这种有害的过程转化为生产过程从而生产出可销售的产品。

这些发现是麻省理工学院(MIT)的Samantha McBride和Henri-Louis Girard跟机械工程教授Kripa Varanasi联合研究多年的成果。日前发表在《Science Advances》上的这项研究表明，由于疏水表面和热量的结合，溶解的盐可以发生结晶，在某些情况下，仅靠重力就可以很容易地将它们从表面除去。

当研究人员开始研究盐在这种表面上结晶的方式时，他们发现，沉淀的盐最初会在液滴周围形成部分球形壳。出乎意料的是，在蒸发过程中，这种贝壳会突然在一组细长的腿状延伸物上上升。这一过程反复产生了多足的形状，它们像大象和其他动物甚至像科幻小说中的机器人。研究人员在论文标题中将这些岩层称为“水晶生物”。

在经过多次实验和详细分析之后，该团队确定了产生这些腿状突起的机制。另外他们还展示了凸起是如何根据温度和疏水表面的性质而变化的，疏水表面是通过创建一个低脊的纳米级图案而产生的。他们发现，支撑着这些生物状形体的狭窄的腿会继续从底部向上生长，因为咸水会通过吸管状的腿向下流动并在底部沉淀，这有点像一个正在生长的冰柱，只是它在顶端保持平衡。最终，它们的腿变得太长以至于无法支撑它们的重量，此时这一团盐晶体就会脱落、掉落或被冲走。

Varanasi表示，这项工作的动机是希望限制或防止表面的结垢--包括管道内部的结垢，因为这些结垢可能导致堵塞。

“这些腿是空心管，液体通过这些管呈漏斗状向下流动。一旦它到达底部并蒸发就会形成新的晶体进而不断增加管的长度。最终，衬底和晶体之间的接触非常有限，直到它们自己滚动，”McBride说道。

McBride回忆称，在最初的实验过程中，他们怀疑这个特殊的表面能很好地消除氯化钠的粘附，但他们不知道阻止粘附的结果是整个东西从表面上被喷射出来。

McBride发现的一个关键是表面图案的精确比例。虽然许多不同长度尺度的图案都能产生疏水表面，但只有纳米尺度的图案才能达到这种自我喷射效果。“当你在超疏水表面蒸发一滴盐水时通常会发生的是，这些晶体开始进入结构内部并形成一个球体，最终它们不会离开。所以，我们在这里观察的是关于质地和长度范围的一些非常具体的东西，它们允许这种效果发生。”

这种基于表面蒸发的自我喷射过程其纹理可以通过蚀刻、磨损或涂层很容易地产生，它可以为多种工艺提供便利。各种金属结构在海洋环境中或暴露在海水中都会发生结垢和腐蚀。研究人员称，这些发现还可能为研究结垢和腐蚀机制提供新的方法。

另外研究人员还发现，通过改变晶体表面的热量甚至有可能让晶体结构朝着特定的方向滚动。温度越高，这些形式的生长和脱离发生得越快并能减少晶体阻塞表面的时间。

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。Varanasi表示，仅这些损失就相当于美国和其他工业化国家GDP的四分之一。但污染也是许多其他地区的一个主要因素。它影响到输水系统的管道、地热井、农业设施、海水淡化厂以及各种可再生能源系统和二氧化碳转换方法。

Varanasi指出，这种方法甚至可以使未经处理的盐水在某些不可行的过程中使用。此外，在某些情况下，回收的盐和其他矿物还可以成为可销售的产品。

虽然最初的实验是用普通的氯化钠完成的，但其他种类的盐或矿物质预计也会产生类似的效果，研究人员正在继续探索将这一过程扩展到其他种类的溶液。

Varanasi指出，因为制造疏水表面的纹理的方法已经发展得很好，所以大规模工业化实施这一过程应该会相对迅速，并且可以使用含盐或微咸的水来冷却系统，否则就需要使用有价值且通常有限的淡水。

“这项工作显示了一个显著而有趣的现象，”来自西北大学的机械工程教授Neelesh Patankar--他没有参与这项研究--说道，“这些发现可能会带来一种全新的方法来减轻工业过程中的矿物污染。在我看来，这项工作不仅从基础科学的角度来看非常有趣，而且还具有实际意义。”