Ongeveer een kwart procent van het totale bruto binnenlands product van de geïndustrialiseerde landen gaat naar schatting verloren door één enkel technisch probleem:de vervuiling van warmtewisselaaroppervlakken door zouten en andere opgeloste mineralen. Deze vervuiling verlaagt de efficiëntie van meerdere industriële processen en vereist vaak dure tegenmaatregelen zoals voorbehandeling van water. Nutsvoorzieningen, bevindingen van MIT kunnen leiden tot een nieuwe manier om dergelijke vervuiling te verminderen, en mogelijk zelfs in staat te stellen dat schadelijke proces om te zetten in een productief proces dat verkoopbare producten kan opleveren.

De bevindingen zijn het resultaat van jarenlang werk van recent MIT-afgestudeerden Samantha McBride Ph.D. '20 en Henri-Louis Girard Ph.D. '20 met hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi. Het werk, gerapporteerd in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , laat zien dat door een combinatie van hydrofobe (waterafstotende) oppervlakken en warmte, opgeloste zouten kunnen zodanig kristalliseren dat ze gemakkelijk van het oppervlak kunnen worden verwijderd, in sommige gevallen alleen door de zwaartekracht.

Toen de onderzoekers begonnen met het bestuderen van de manier waarop zouten op dergelijke oppervlakken kristalliseren, ze ontdekten dat het neerslaande zout aanvankelijk een gedeeltelijk bolvormig omhulsel rond een druppel zou vormen. Onverwacht, deze schaal zou dan plotseling stijgen op een reeks spichtige beenachtige verlengingen die tijdens verdamping zijn gegroeid. Het proces produceerde herhaaldelijk meerpotige vormen, die op olifanten en andere dieren lijken, en zelfs sci-fi droids. De onderzoekers noemden deze formaties "crystal critters" in de titel van hun artikel.

Na vele experimenten en gedetailleerde analyse, het team bepaalde het mechanisme dat deze beenachtige uitsteeksels produceerde. Ze lieten ook zien hoe de uitsteeksels varieerden afhankelijk van de temperatuur en de aard van het hydrofobe oppervlak, die werd geproduceerd door een nanoschaalpatroon van lage ruggen te creëren. Ze ontdekten dat de smalle poten die deze beestachtige vormen omhoog houden vanaf de bodem omhoog blijven groeien, terwijl het zoute water door de stroachtige poten naar beneden stroomt en op de bodem neerslaat, een beetje als een groeiende ijspegel, alleen in evenwicht op zijn punt. Uiteindelijk worden de benen zo lang dat ze het gewicht van het beest niet meer kunnen dragen, en de klodder zoutkristal breekt af en valt of wordt weggevaagd.

Het werk was ingegeven door de wens om de vorming van schilfers op oppervlakken te beperken of te voorkomen, inclusief binnenleidingen waar dergelijke kalkaanslag kan leiden tot verstoppingen, zegt Varanasi. "Samantha's experiment toonde dit interessante effect waarbij de schaal er vrijwel vanzelf uitspringt, " hij zegt.

"Deze poten zijn holle buizen, en de vloeistof wordt door deze buizen naar beneden geleid. Zodra het de bodem raakt en verdampt, het vormt nieuwe kristallen die continu de lengte van de buis vergroten, " zegt McBride. "Uiteindelijk, je hebt heel, zeer beperkt contact tussen het substraat en het kristal, tot het punt waarop deze vanzelf wegrollen."

McBride herinnert zich dat bij het doen van de eerste experimenten als onderdeel van haar proefschrift, "we vermoedden zeker dat dit specifieke oppervlak goed zou werken voor het elimineren van natriumchloride-adhesie, maar we wisten niet dat een gevolg van het voorkomen van die hechting het uitwerpen van het hele ding "van het oppervlak zou zijn.

Een sleutel, ze vond, was de exacte schaal van de patronen op het oppervlak. Hoewel veel verschillende lengteschalen van patronen hydrofobe oppervlakken kunnen opleveren, alleen patronen op nanometerschaal bereiken dit zelfuitwerpende effect. "Als je een druppel zout water verdampt op een superhydrofoob oppervlak, wat er meestal gebeurt, is dat die kristallen in de textuur komen en gewoon een bol vormen, en uiteindelijk stijgen ze niet op, " zegt McBride. "Dus het is iets heel specifieks aan de textuur en de lengteschaal waar we hier naar kijken waardoor dit effect kan optreden."

Dit zelfuitwerpende proces, eenvoudig gebaseerd op verdamping van een oppervlak waarvan de textuur gemakkelijk kan worden geproduceerd door te etsen, slijtage, of coating, kan een zegen zijn voor een breed scala aan processen. Allerlei metalen constructies in een mariene omgeving of blootgesteld aan zeewater hebben last van kalkaanslag en corrosie. De bevindingen kunnen ook nieuwe methoden mogelijk maken voor het onderzoeken van de mechanismen van kalkaanslag en corrosie, zeggen de onderzoekers.

Door de hoeveelheid warmte langs het oppervlak te variëren, het is zelfs mogelijk om de kristalformaties in een bepaalde richting te laten rollen, vonden de onderzoekers. Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de groei en lancering van deze vormen plaatsvindt, het minimaliseren van de tijd dat de kristallen het oppervlak blokkeren.

Warmtewisselaars worden gebruikt in een groot aantal verschillende processen, en hun efficiëntie wordt sterk beïnvloed door oppervlaktevervuiling. Die verliezen alleen, Varanasi zegt, gelijk aan een kwart procent van het BBP van de VS en andere geïndustrialiseerde landen. Maar ook op veel andere gebieden speelt vervuiling een grote rol. Het beïnvloedt leidingen in waterdistributiesystemen, geothermische bronnen, agrarische instellingen, ontziltingsinstallaties, en een verscheidenheid aan hernieuwbare energiesystemen en kooldioxide-conversiemethoden.

Deze methode, Varanasi zegt, zou zelfs het gebruik van onbehandeld zout water in sommige processen mogelijk maken waar dat anders niet praktisch zou zijn, zoals in sommige industriële koelsystemen. Verder, in sommige situaties kunnen de teruggewonnen zouten en andere mineralen verkoopbare producten zijn.

Terwijl de eerste experimenten werden gedaan met gewoon natriumchloride, van andere soorten zouten of mineralen wordt verwacht dat ze vergelijkbare effecten hebben, en de onderzoekers blijven de uitbreiding van dit proces naar andere soorten oplossingen onderzoeken.

Omdat de methoden om de texturen te maken om een ​​hydrofoob oppervlak te produceren al goed ontwikkeld zijn, Varanasi zegt, het implementeren van dit proces op grote industriële schaal zou relatief snel moeten gaan, en zou het gebruik van zout of brak water mogelijk maken voor koelsystemen die anders het gebruik van waardevol en vaak beperkt zoet water zouden vereisen. Bijvoorbeeld, alleen in de VS, er wordt per jaar een biljoen liter zoet water gebruikt voor koeling. Een typische elektriciteitscentrale van 600 megawatt verbruikt ongeveer een miljard gallons water per jaar, wat genoeg zou kunnen zijn om 100 te dienen, 000 mensen. Dat betekent dat waar mogelijk het gebruik van zeewater voor koeling kan helpen een probleem van zoetwaterschaarste te verminderen.