Фізика
Технології
Фізика
Технології

Сіль відростила ніжки та сама видалилась з поверхні

Фізики дослідили процес кристалізації солі та знайшли спосіб позбуватися шкідливих відкладень — змушувати їх видалятися самостійно. Так вчені виявили, що кристали солі, які утворюються на металевих поверхнях та мають негативний вплив на усілякі промислові процеси, можуть виростити «ніжки», а потім перекинутися і відпасти. Дослідники змогли навіть покерувати цим процесом, змінюючи візерунки на поверхні, якій загрожувало мінеральне забруднення. Докладніше про відкритий феномен «кристалічних істот» вони повідомили у статті, опублікованій у Science Advances.

Samantha A. McBride et al. / Science Advances, 2020  

Samantha A. McBride et al. / Science Advances, 2020

Що не так із сіллю?

Системи розподілу води, свердловини, опріснювальні установки, системи охолодження та безліч сільськогосподарських об'єктів, що використовують воду, страждають від осаду, який утворюється внаслідок її випаровування. З часом накопичення цих домішок знижує ефективність теплопередачі, закупорює труби і, як правило, викликає корозію і знос матеріалу. Таке мінеральне забруднення є основною причиною деградації та поломки обладнання, тому значні зусилля витрачаються на попередню обробку води. Однак, у зв’язку із необхідністю зберігати запаси питної води, промисловість переходить на солоні поверхневі або опріснені стічні води, які потребують збільшення витрат на попереднє очищення.

Тому більш привабливою та економічно ефективною альтернативою попередній обробці стає розробка матеріалів, з якими з’являється можливість контролювати взаємодію солі з поверхнею. Так розробляються гідрофобні та супергідрофобні покриття, здатні запобігати утворенню осадів за рахунок особливого текстурування поверхні, що мінімізує площу контакту з рідкою фазою. Втім, забруднення мінералами є багатофазною проблемою, і взаємодії між кристалом і підкладкою, а також між кристалом і рідиною однаково важливі для визначення схильності до забруднення, тому дослідження вчених було першою чергою мотивоване вивченням особливостей кристалізації під час випаровування рідини у замкненому просторі труб та двигунів.

Яких «кристалічних істот» побачили вчені?

Кристалики солі виникають через підвищення її концентрації після випаровування — вона зрештою перевищує межу розчинності та утворює малюнки або за надлишку маси навіть тривимірні кристалічні структури. Зокрема, рідини із хлоридом натрію, сіллю, коли випаровуються на гідрофобних поверхнях, утворюють «сольові кулі» через схильність до кристалізації на межі розділу повітря-вода. Кристалізацію солі на таких поверхнях і вивчали дослідники, коли помітили, як ці сольові кульки раптово піднялися на кілька веретеноподібних ніжок, які виросли під час випаровування.

В процесі випаровування з’являлося безліч різноманітних форм, через що у своїй статті утворення вчені назвали «кристалічними істотами». Фізики з’ясували, що вузькі ніжки, на яких вони тримаються, ростуть знизу вгору, поки солона вода тече ними вниз через і випадає на дно. Зрештою ніжки стають настільки довгими, що не можуть витримати вагу кульки, а тому вона ламається і падає. По суті ніжки схожі на соломинки діаметром від 10 до 40 мікрометрів, якими циркулює рідина під час випаровування. Кількість ніжок, за словами вчених, залежить від кількості точок локального проникнення рідини в текстуру поверхні — чим таких точок більше, тим більше буде ніжок.

Схема експерименту, коли крапля води, що містить розчинену сіль, випаровується на гарячій супергідрофобній підкладці (А). Текстура поверхні (B). Зростання «кристалічних істот» із краплі з 5 мікролітрами солі при температурі основи 90 градусів Цельсію(C). Samantha A. McBride et al. / Science Advances, 2020

Схема експерименту, коли крапля води, що містить розчинену сіль, випаровується на гарячій супергідрофобній підкладці (А). Текстура поверхні (B). Зростання «кристалічних істот» із краплі з 5 мікролітрами солі при температурі основи 90 градусів Цельсію(C). Samantha A. McBride et al. / Science Advances, 2020

Як ними керувати?

Вчені з’ясували, що такий ефект самовидалення солі залежить саме від гідрофобності поверхні, а зокрема її пориста будова із загостреними частинами та западинами. Вони припускають, що в областях із максимальним контактом тверде тіло-рідина будуть рости кристалічні ніжки.Також, варіюючи кількість тепла уздовж поверхні, можна навіть змусити кристалічні утворення котитися в певному напрямку. Цей ефект пояснюється тим, що чим ближче до кінця процесу випаровування, коли залишається менше води (і, отже, менше розчиненої солі), симетричний ріст змушує кристалічну структуру нахилятися і котитися в напрямку більш низької температури.

Причому кристалічні структури можуть так прокочуватися два або навіть три рази до повного випаровування рідини. Так всього через кілька секунд після нанесення крапель солоної води на поверхню, нагріту до 90 градусів Цельсію, почали зростати кристали на ніжках. Чим вища температура, тим швидше відбувається зростання і відривання утворень, уникаючи закупорення поверхні осадом. зводячи до мінімуму час, протягом якого кристали блокують поверхню. За температури, нижчої за 50 градусів, вчені ні процесу зневоднення, ні подальшого зростання ніжок, пов'язаного з утворенням кристалів.

Хоча експерименти проводилися зі звичайним хлоридом натрію, очікується, що інші види солей або мінералів будуть давати аналогічні ефекти. За словами вчених, оскільки методи створення гідрофобних поверхонь вже добре розроблені, впровадження цього процесу в великих промислових масштабах має бути відносно швидким і може дати змогу використовувати солону або солонувату воду для систем охолодження, які інакше зажадали б використання цінної прісної води.