Microtexturizando materiales suaves para eliminar microcontaminantes acuosos.

5 de enero de 2024 función

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por Thamarasee Jeewandara , Phys.org

El proceso de ensuciamiento por cristalización es un fenómeno en el que se forma escala en las superficies. Es común en la naturaleza y la tecnología y afecta a las industrias de la energía y el agua. A pesar de intentos anteriores, las superficies diseñadas racionalmente con resistencia intrínseca siguen siendo esquivas debido a la falta de comprensión de cómo los microfoulants se adhieren en entornos acuosos dinámicos.

En un estudio publicado recientemente en Science Advances, Julian Schmid y un equipo de investigadores en ingeniería de superficies en Suiza y Estados Unidos estudiaron la dinámica interfacial de los microfoulants utilizando un sistema de medición microescaneado de la dinámica de fluidos para demostrar un recubrimiento diseñado racionalmente que elimina el 98% de los depósitos en condiciones de flujo cortante.

El agua y la energía son recursos interconectados, donde se requiere agua para producir energía para el transporte, la desalinización y el tratamiento del agua. La naturaleza finita de estos recursos y los crecientes desafíos globales, incluido el cambio climático y el crecimiento de la población, sin embargo, los someten a un mayor estrés. Los métodos pasivos para repeler la formación de escala incluyen la ingeniería de superficies, los materiales interfaciales y los recubrimientos, que son alternativas atractivas para la sostenibilidad y también son rentables.

Los investigadores también anteriormente se habían centrado en desarrollar superficies antifouling rígidas que alteran la energía superficial de los materiales para eliminar la incrustación. Los científicos de materiales han mostrado un creciente interés en el desarrollo de materiales interfaciales y recubrimientos que mejoren las propiedades antifouling utilizando las barreras inherentes del material.

En este nuevo trabajo, Schmid y sus colegas desarrollaron un nuevo método para estudiar la física de la adherencia de los microfoulants y crearon un medidor dinámico de microescaneo de fluidos. Los científicos revelaron tres mecanismos subyacentes de eliminación de microfoulants para diseñar un recubrimiento microtexturado y probaron su escalabilidad en condiciones de flujo laminar y turbulento. El resultado puede arrojar luz sobre las propiedades de la cristalización y el ensuciamiento particulado, y conducir al diseño de materiales interfaciales como superficies antifouling para abordar los desafíos del vínculo agua-energía.

La naturaleza presenta ejemplos excepcionales de superhumectabilidad y sistemas de transporte que han contribuido al desarrollo de sustratos repelentes bioinspirados para la investigación de la dinámica de las interacciones entre cristales y agua. Schmid y sus colegas cuantificaron la eliminación de microfoulants de sustratos con diferentes niveles de flexibilidad al determinar su humectabilidad superficial. Por ejemplo, para eliminar los cristales de carbonato de calcio, el equipo utilizó un flujo de corte laminar sintonizable de agua y visualizó simultáneamente el proceso al bombear agua a través de un capilar de vidrio para generar esfuerzo cortante.

Schmid y el equipo cuantificaron también el proceso de eliminación pasiva de agregados impulsado por el corte. Por ejemplo, cuando el equipo aplicó el método a un sustrato de vidrio rígido que había experimentado ensuciamiento por cristalización bajo flujo cortante, observaron el cambio en el número de cristales en la superficie con respecto al valor inicial. Tales superficies de vidrio se pueden hacer hidrofóbicas mediante tratamiento con fluorosilano y un silicona suave para resaltar la naturaleza intrincada de las interacciones entre el sustrato y los cristales y demostrar las propiedades superficiales con microfoulants.

Los eventos individuales de eliminación de cristales fueron rápidos, lo que tiene importantes implicancias para los materiales antifouling o escalfóbicos, ya que permite la eliminación de los cristales antes de que se acumulen capas de incrustaciones tenaces. Para comprender los mecanismos que subyacen a la repelencia mejorada hacia los recubrimientos basados en escalas, los científicos de materiales reemplazaron los complejos cristales de escala que varían en tamaño por micropartículas de poliestireno esféricas de tamaño comparable para estudiar el efecto del corte del agua, su módulo de Young, humectabilidad y espesor.

Además del ensuciamiento por cristalización, Schmid y su equipo utilizaron el ensuciamiento particular mediante la sedimentación de microfoulants sobre el recubrimiento como otro subconjunto del método. La mayoría de los microfoulants eran más pequeños que el espesor del recubrimiento, aunque los incrustantes de hielo e hidratos superaron este espesor. Los científicos realizaron experimentos adicionales para detectar las interacciones entre el microfouant y el recubrimiento.

La investigación existente ha mostrado cómo los hidrogeles uniformes y no porosos con un bajo comportamiento de hinchamiento requieren un contenido de polímero de al menos el 40% en peso. Para seguir un proceso de fabricación similar, Schmid y sus colegas optaron por aumentar el contenido de polímero del recubrimiento al 50% en peso, lo cual afectó negativamente las propiedades de adhesión y eliminación del recubrimiento.

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.

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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