Microtexturation des matériaux souples pour éliminer les microfoulants aqueux.

5 janvier 2024 fonctionnalité

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Le processus d'encrassement par cristallisation est un phénomène dans lequel des dépôts se forment sur les surfaces. Il est répandu dans la nature et la technologie et affecte les industries de l'énergie et de l'eau. Malgré les tentatives précédentes, les surfaces conçues de manière rationnelle avec une résistance intrinsèque restent insaisissables en raison d'un manque de compréhension de la façon dont les micro-contaminants adhèrent dans les environnements aqueux dynamiques.

Dans une étude publiée récemment dans Science Advances, Julian Schmid et une équipe de chercheurs en ingénierie des surfaces en Suisse et aux États-Unis ont étudié la dynamique interfaciale des micro-contaminants en utilisant un système de jauge dynamique de fluides à micro-balayage pour démontrer un revêtement développé de manière rationnelle qui élimine 98 % des dépôts dans des conditions d'écoulement de cisaillement.

L'eau et l'énergie sont des ressources interconnectées, où l'eau est nécessaire pour produire de l'énergie pour le transport, la désalinisation et le traitement de l'eau. La nature finie de ces ressources et les défis mondiaux croissants, notamment le changement climatique et la croissance démographique, les soumettent cependant à un stress accru. Les méthodes passives pour repousser la formation de dépôts comprennent l'ingénierie des surfaces, les matériaux interfaciaux et les revêtements, qui sont des alternatives attrayantes pour la durabilité et également rentables.

Les chercheurs s'étaient également auparavant concentrés sur le développement de surfaces antifouling rigides qui modifient l'énergie de surface des matériaux pour éliminer les dépôts. Les scientifiques des matériaux ont montré un intérêt croissant pour le développement de matériaux interfaciaux et de revêtements qui améliorent les propriétés antifouling en utilisant les barrières inhérentes du matériau.

Dans ce nouveau travail, Schmid et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour étudier la physique de l'adhérence des micro-contaminants et ont créé une jauge dynamique de fluides à micro-balayage. Les scientifiques ont révélé trois mécanismes sous-jacents de l'élimination des micro-contaminants pour concevoir un revêtement microtexturé et ont testé sa scalabilité dans des conditions d'écoulement laminaire et turbulent. Les résultats peuvent éclairer les propriétés de la cristallisation et des dépôts particulaires, et conduire à la conception de matériaux interfaciaux comme surfaces antifouling pour relever les défis de la connexion eau-énergie.

La nature présente des exemples exceptionnels de super-mouillabilité et de systèmes de transport qui ont contribué au développement de substrats répulsifs bioinspirés pour l'étude de la dynamique des interactions eau-cristallite. Schmid et ses collègues ont quantifié l'élimination des micro-contaminants des substrats à compliance variable en déterminant leur mouillabilité de surface. Par exemple, pour éliminer les cristallites de carbonate de calcium, l'équipe a utilisé un écoulement de cisaillement d'eau laminaire réglable et a simultanément visualisé le processus en pompant de l'eau à travers un capillaire en verre pour générer une contrainte de cisaillement.

Schmid et son équipe ont également quantifié le processus d'élimination des agrégats induit par le cisaillement passif. Par exemple, lorsque l'équipe a appliqué la méthode à un substrat en verre rigide qui avait subi un encrassement par cristallisation sous écoulement de cisaillement, ils ont observé le nombre changeant de cristallites en surface par rapport à la valeur initiale. De telles surfaces en verre peuvent être rendues hydrophobes par traitement à la fluorosilane et à un silicone souple pour mettre en évidence la nature complexe des interactions substrat-cristallite et démontrer les propriétés de surface avec des micro-contaminants.

Les événements individuels d'élimination des cristallites étaient rapides, ce qui a des implications importantes pour les matériaux antifouling ou à faible affinité pour les dépôts, car cela permet l'élimination des cristallites avant l'accumulation de couches de dépôts tenaces. Pour comprendre les mécanismes sous-jacents d'une meilleure résistance aux revêtements à base de dépôts, les scientifiques des matériaux ont remplacé des cristallites de dépôt complexes variant en taille par des microparticules sphériques de polystyrène de taille comparable afin d'étudier l'effet du cisaillement de l'eau, de leur module de Young, de leur mouillabilité et de leur épaisseur.

Outre l'encrassement par cristallisation, Schmid et son équipe ont utilisé l'encrassement particulaire en déposant des micro-contaminants sur le revêtement comme un autre sous-ensemble de la méthode. La plupart des micro-contaminants étaient plus petits que l'épaisseur du revêtement, bien que la glace et les dépôts d'hydrate dépassaient cette épaisseur. Les scientifiques ont effectué des expériences supplémentaires pour détecter les interactions entre les micro-contaminants et le revêtement.

Les recherches antérieures ont montré que les hydrogels uniformes et non poreux avec un faible comportement de gonflement nécessitent une teneur en polymère d'au moins 40 % en poids. Pour suivre un processus de fabrication similaire, Schmid et ses collègues ont choisi d'augmenter la teneur en polymère du revêtement à 50 % en poids, ce qui a affecté négativement l'adhérence et les propriétés d'élimination du revêtement.

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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