Microtexturizzare materiali morbidi per rimuovere microfoulanti acquosi

5 gennaio 2024 caratteristica

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a cura di Thamarasee Jeewandara , Phys.org

Il processo di intasamento da cristallizzazione è un fenomeno in cui si formano incrostazioni sulle superfici. È diffuso nella natura e nella tecnologia e colpisce l'industria dell'energia e dell'acqua. Nonostante i tentativi precedenti, le superfici progettate razionalmente con resistenza intrinseca restano elusive a causa di una mancanza di comprensione di come i microfoulanti aderiscano in ambienti acquosi dinamici.

In uno studio pubblicato su Science Advances, Julian Schmid e un team di ricercatori nel campo dell'ingegneria delle superfici in Svizzera e negli Stati Uniti hanno studiato la dinamica interfaciale dei microfoulanti utilizzando un sistema di misurazione dinamica dei fluidi a ultrasuoni per dimostrare un rivestimento sviluppato razionalmente che rimuove il 98% dei depositi in condizioni di flusso di taglio.

Acqua ed energia sono risorse interconnesse, in cui l'acqua è necessaria per produrre energia per il trasporto, la desalinizzazione e il trattamento dell'acqua. La natura limitata di queste risorse e le crescenti sfide globali, tra cui il cambiamento climatico e la crescita demografica, le mettono tuttavia sotto un maggiore stress. I metodi passivi per respingere la formazione di incrostazioni includono l'ingegneria delle superfici, i materiali interfaciali e i rivestimenti, che sono alternative interessanti per la sostenibilità e sono anche costi-efficaci.

In precedenza, i ricercatori si erano concentrati anche nello sviluppo di superfici antifouling rigide che alterano l'energia superficiale dei materiali per eliminare le incrostazioni. I materiali scientifici hanno dimostrato un crescente interesse nello sviluppo di materiali e rivestimenti interfaciali che migliorano le proprietà antifouling utilizzando le barriere intrinseche del materiale.

In questo nuovo lavoro, Schmid e colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per studiare la fisica dell'adesione dei microfoulanti e hanno creato un misuratore microscopico dinamico dei fluidi. I ricercatori hanno rivelato tre meccanismi sottostanti di rimozione dei microfoulanti per progettare un rivestimento microtesturizzato e hanno testato la sua scalabilità in condizioni di flusso laminare e turbolento. Il risultato può fornire informazioni sulle proprietà della cristallizzazione e dell'incrostazione particellare e portare alla progettazione di materiali interfaciali come superfici antifouling per affrontare le sfide del nexus acqua-energia.

La natura presenta eccezionali esempi di super-bagnabilità e sistemi di trasporto che hanno contribuito allo sviluppo di substrati repellenti bioispirati per lo studio delle dinamiche delle interazioni acqua-cristalliti. Schmid e colleghi hanno quantificato la rimozione dei microfoulanti dai substrati con varie proprietà determinando la loro bagnabilità superficiale. Ad esempio, per rimuovere i cristalliti di carbonato di calcio, il team ha utilizzato un flusso laminare di acqua regolabile e ha contemporaneamente visualizzato il processo pompare acqua attraverso una capillare di vetro per generare tensione di taglio.

Schmid e il team hanno anche quantificato il processo di rimozione degli aggregati guidato dalla forza passiva di taglio. Ad esempio, quando il team ha applicato il metodo a un substrato di vetro rigido che era stato sottoposto a intasamento da cristallizzazione in flusso di taglio, hanno osservato il cambiamento del numero di cristalliti sulla superficie rispetto al valore iniziale. Tali superfici di vetro possono essere rese idrofobiche mediante trattamento con fluorosilano e silicone morbido per evidenziare la natura complessa delle interazioni substrato-cristallite e dimostrare le proprietà superficiali con i microfoulanti

Gli eventi individuali di rimozione dei cristalliti sono rapidi, il che ha importanti implicazioni per i materiali antifouling o idrofobici poiché consente la rimozione dei cristalliti prima della formazione di persistenti strati di incrostazione. Per comprendere i meccanismi che sottendono l'aumentata repellenza nei confronti dei rivestimenti a base di incrostazioni, i materiali scientifici hanno sostituito complessi cristalliti di incrostazioni che variano in dimensioni con microparticelle sferiche di polistirene di dimensioni comparabili per studiare l'effetto dello scorrimento dell'acqua, del modulo elastico, della bagnabilità e dello spessore.

Oltre all'intasamento da cristallizzazione, Schmid e il team hanno utilizzato l'incrostazione particellare depositando i microfoulanti sul rivestimento come un altro sottoinsieme del metodo. La maggior parte dei microfoulanti era più piccola dello spessore del rivestimento, sebbene i microfoulanti di ghiaccio ed idrato superassero questo spessore. Gli scienziati hanno effettuato ulteriori esperimenti per rilevare le interazioni tra microfoulanti e rivestimento.

Ricerche precedenti hanno dimostrato come gli idrogel uniformi e non porosi con comportamento di basso gonfiore richiedano una percentuale di polimero di almeno il 40% in peso. Per seguire un processo di fabbricazione simile, Schmid e colleghi hanno scelto di aumentare la percentuale di polimero del rivestimento al 50% in peso, il che ha influenzato negativamente l'adesione e le proprietà di rimozione del rivestimento.

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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