Проблема минеральных отложений
В промышленных трубах минеральные отложения образуются так же, как накипь в чайнике, только в гораздо большем масштабе. Отложения минералов — серьёзная проблема для водных и энергетических систем, поскольку они замедляют поток, нагружают оборудование и увеличивают расходы.
Новое исследование
Новое исследование инженеров Университета Райса показывает, что алмазные покрытия, выращенные в лаборатории, могут решить эту проблему, предлагая альтернативу химическим добавкам и механической очистке, которые обеспечивают лишь временное облегчение и имеют экологические или эксплуатационные недостатки.
«Поскольку эти методы имеют ограничения, растёт интерес к материалам, которые могут естественным образом противостоять образованию отложений без постоянного вмешательства», — сказал Сян Чжан, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии и один из первых авторов исследования вместе с постдокторантом Университета Райса Ифань Чжу. «Наша работа направлена на решение этой насущной проблемы путём выявления материала покрытия, который может «оставаться чистым» самостоятельно».
Свойства алмаза
Алмаз известен своей твёрдостью, химической стабильностью и способностью выдерживать высокие температуры — качествами, которые уже делают его полезным в сложных промышленных условиях. Ранее исследования показали, что алмаз может противостоять биологическому обрастанию и росту бактерий, но его потенциал в снижении образования минеральных отложений систематически не изучался.
Метод выращивания алмазных плёнок
Исследователи выращивали алмазные плёнки методом химического осаждения из газовой фазы в микроволновой плазме (MPCVD). Этот метод использует газ для создания твёрдого покрытия: метан и водород подаются в камеру, где микроволновое излучение приводит атомы в состояние горячей плазмы. Это разрушает молекулы газа, высвобождая атомы углерода, которые оседают на кремниевой пластине и образуют плотно упакованную структуру алмаза.
Применяя методы пост-роста, исследователи могли регулировать химию поверхности алмаза по мере его формирования.
Результаты исследования
Их целью было проверить, повлияют ли тонкие изменения поверхности на образование минеральных отложений. Одна из версий — алмаз с азотным окончанием — показала выдающиеся результаты: он накапливал более чем на порядок меньше отложений, чем алмаз, обработанный кислородом, водородом или фтором. Микроскопия показала лишь рассеянные кристаллические кластеры там, где на других поверхностях формировались плотные слои.
Молекулярное моделирование помогло объяснить поведение. Азот способствует образованию плотно связанного слоя молекул воды на алмазе, создавая барьер, который затрудняет прикрепление минеральных ионов и начало образования отложений.
Исследователи применили тот же химический состав к алмазам с бором, легированным алмазам, используемым в электрохимических системах. Эти электроды накапливали примерно в семь раз меньше отложений, не теряя при этом производительности.
Заключение
Комплексное исследование позволило не только зафиксировать количество образовавшихся отложений, но и оценить силу их сцепления.
«Такие всесторонние исследования ранее ограничивались стоимостью и доступностью высококачественных алмазных плёнок, а также надёжных методов обработки поверхности, которые только недавно стали возможны благодаря развитию технологий», — сказал Чжан.
«Эти результаты определяют выращиваемые в парах поликристаллические алмазные плёнки как мощный, долговечный антискалинговый материал с широким потенциалом в опреснении воды, энергетических системах и других отраслях, где проблема образования минеральных отложений является актуальной», — сказал Пуликкель Аджайан, профессор инженерии имени Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон, профессор материаловедения и наноинженерии.
«Масштабируемый и универсальный процесс нанесения покрытия также делает его очень привлекательным для различных отраслей промышленности», — сказал Цзюнь Лу, профессор материаловедения и наноинженерии Карла Ф. Хасселмана.
Аджайан, Лу и Чжан являются соответствующими авторами исследования.
Предоставлено Университетом Райса.