Das Mikrotexturieren von weichen Materialien zur Entfernung von wässrigen Mikrofoulants.

5. Januar 2024 feature

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Korrektur gelesen von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Die Verschmutzung durch Kristallisierung ist ein Phänomen, bei dem sich Ablagerungen auf Oberflächen bilden. Es ist weit verbreitet in der Natur und Technologie und hat Auswirkungen auf die Energie- und Wasserindustrie. Trotz früherer Versuche sind Oberflächen mit intrinsischem Widerstand aufgrund eines Mangels an Verständnis dafür, wie Mikroverunreinigungen in dynamischen wässrigen Umgebungen haften, weiterhin schwer zu gestalten.

In einer nun in Science Advances veröffentlichten Studie untersuchten Julian Schmid und ein Team von Forschern aus der Oberflächentechnik in der Schweiz und den USA die Grenzflächendynamik von Mikroverunreinigungen mit Hilfe eines Mikro-Scanning-Fluid-Dynamic-Gauge-Systems. Dadurch demonstrierten sie eine rational entwickelte Beschichtung, die unter Scherströmungsbedingungen 98% der Ablagerungen entfernt.

Wasser und Energie sind miteinander verbundene Ressourcen, wobei Wasser für die Energieerzeugung für Transport, Entsalzung und die Wasseraufbereitung benötigt wird. Die begrenzte Verfügbarkeit dieser Ressourcen und die steigenden globalen Herausforderungen, einschließlich des Klimawandels und des Bevölkerungswachstums, setzen sie jedoch zunehmend unter Stress. Passive Methoden zur Abwehr von Ablagerungen umfassen Oberflächentechnik, Grenzflächenmaterialien und Beschichtungen, die attraktive Alternativen für die Nachhaltigkeit darstellen und auch kosteneffizient sind.

Forscher hatten sich zuvor auch auf die Entwicklung von starren antifouling Oberflächen konzentriert, die die Oberflächenenergie von Materialien verändern, um Ablagerungen zu beseitigen. Materialwissenschaftler haben ein wachsendes Interesse an der Entwicklung von Grenzflächenmaterialien und Beschichtungen gezeigt, die die antifouling Eigenschaften durch die inhärenten Barrieren des Materials verbessern.

In dieser neuen Arbeit entwickelten Schmid und Kollegen eine neue Methode, um die Physik der Haftung von Mikroverunreinigungen zu untersuchen, und schufen ein Mikro-Scanning-Fluid-Dynamic-Gauge. Die Wissenschaftler enthüllten drei zugrunde liegende Mechanismen der Entfernung von Mikroverunreinigungen, um eine mikrotexturierte Beschichtung zu entwerfen und testeten ihre Skalierbarkeit unter laminaren und turbulenten Strömungsbedingungen. Die Ergebnisse können Aufschluss über die Eigenschaften von Kristallisation und partikelhafter Verschmutzung geben und zur Entwicklung von Grenzflächenmaterialien als antifouling Oberflächen zur Bewältigung der Herausforderungen des Wasser-Energie-Nexus führen.

In der Natur gibt es außergewöhnliche Beispiele für eine superbenetzendes und Transportsysteme, die zur Entwicklung von bioinspirierten abweisenden Substraten beigetragen haben, um die Dynamik der Wechselwirkungen zwischen Kristallit und Wasser zu untersuchen. Schmid und seine Kollegen quantifizierten die Entfernung der Mikroverunreinigungen von Substraten mit unterschiedlicher Elastizität, indem sie deren Oberflächenbenetzbarkeit bestimmten. Um beispielsweise Calciumcarbonat-Kristallite zu entfernen, verwendete das Team einen einstellbaren laminaren Wasserscherfluss und visualisierte gleichzeitig den Prozess, indem Wasser durch eine Glaskapillare gepumpt wurde, um Scherspannungen zu erzeugen.

Schmid und sein Team quantifizierten auch den passiven, schergetriebenen Prozess der Aggregateentfernung. Wenn das Team die Methode beispielsweise auf ein starres Glas-Substrat anwandte, das unter einem Scherfluss Verkrustungen aus Kristallisation erlitten hatte, beobachteten sie die Veränderung der Anzahl der Kristallite auf der Oberfläche im Vergleich zum Ausgangswert. Solche Glasoberflächen können durch eine Behandlung mit Fluorsilan und einem weichen Silikon hydrophob gemacht werden, um die komplexe Natur der Wechselwirkungen zwischen Substrat und Kristallit hervorzuheben und Oberflächeneigenschaften mit Mikroverunreinigungen zu demonstrieren.

Die einzelnen Ereignisse der Kristallitenentfernung waren schnell, was bedeutende Auswirkungen auf antifouling oder scalephobe Materialien hat, da es die Entfernung der Kristallite vor dem Aufbau zäher Schichten ermöglicht. Um die Mechanismen zu verstehen, die der verbesserten Abstoßung gegenüber schalentragenden Beschichtungen zugrunde liegen, ersetzten die Materialwissenschaftler komplexe skalenartige Kristallite verschiedener Größe durch vergleichbar große kugelförmige Polystyren-Mikropartikel, um die Wirkung von Wasserscherung, Elastizität, Benetzbarkeit und Dicke zu untersuchen.

Neben der Kristallationsverschmutzung nutzte Schmid und sein Team die partikelhafte Verschmutzung durch Ablagerung von Mikroverunreinigungen auf der Beschichtung als einen weiteren Bereich der Methode. Die meisten Mikroverunreinigungen waren kleiner als die Dicke der Beschichtung, obwohl Eis und Hydratverunreinigungen diese Dicke überschritten. Die Wissenschaftler führten zusätzliche Experimente durch, um die Wechselwirkungen zwischen den Mikroverunreinigungen und der Beschichtung zu erfassen.

Bereitsige Forschung hat gezeigt, dass gleichmäßige, nicht poröse Hydrogele mit geringem Quellverhalten einen Polymergehalt von mindestens 40 Gewichtsprozent erfordern. Um einen ähnlichen Herstellungsprozess zu verfolgen, entschieden sich Schmid und seine Kollegen für eine Erhöhung des Polymergehalts der Beschichtung auf 50 Gewichtsprozent, was sich negativ auf die Haft- und Entfernungseigenschaften der Beschichtung auswirkte.

The outcomes highlighted the excellent scale-phobicity of the coating. For instance, the first crystallites were removed from the microtextured polymer almost immediately after initiating flow. From the outset, the team removed a substantial number of crystallites to obtain a near clean surface to highlight the properties of scalephobicity of the designed coating under turbulent flow conditions.

Outlook

In this way, Julian Schmid and team incorporated adhesion and interfacial fluidic theories to develop a method to study the underlying physics of microfoulant adhesion on and removal from engineered materials. They developed this technique based on a previously established method to analyze antifouling materials to improve the approach to study antifouling.

The method provided insights into the dynamics of the full behavior of the coating. The outcomes revealed the interactions between foulants, substrates and water to remove surface adhered crystallites under flow conditions. The team explored the versatility of antifouling materials and how the design strategies varied depending on the dominant fouling mechanism.

For instance, with particulate fouling, rigid coating surfaces performed well, whereas soft coating outperformed with crystallization fouling. Hydrogels on the other hand had a low polymer content and therefore showed excellent removal performance for both microfoulants and crystallites. For nonporous and hydrophilic hydrogels, the polymer content had to be increased, which Schmid and team mitigated by microtexturing the surface.

The materials scientists realized intrinsically scalephobic surfaces and microtextured soft hydrogels to remove predominant regions of crystallites. The outcomes provide significant details for designing antifouling and scalephobic surfaces for adhesion and interfacial transport research under heat transfer and flow conditions.

Journal information: Science Advances

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