換熱器表面的鹽和其他可溶解礦物所的汙垢，佔國內生產總值的四分三

你或許看到過這樣的現象，在一些有液體流動的表面

（如管道）

，常常覆蓋著由礦物晶體構成的汙垢。這是因為當含有非揮發性溶質的揮發性溶液在蒸發時，會導致溶質的濃度上升而結晶析出。當這些析出的晶體在一些物質表面上累積，就會造成許多令人頭疼的問題——這些問題普遍存在於水處理、熱電發電等工業過程中，

降低了工業過程的效率，且往往需要支付高昂的價格來應對。

據統計，在一些工業化國家，因換熱器表面的鹽和其他可溶解礦物所形成的汙垢造成的虧損，就佔了

國內生產總值的四分之一個百分點。

不僅如此，汙損還會影響到輸水系統的管道、地熱井、農業設施、海水淡化廠，以及各種可再生能源系統和二氧化碳的轉換。

為了減少因為這些汙垢造成的損失，

越來越多的研究放眼於從材料工程的角度來防止這些汙垢的生成。材料的浸潤特性一直是探尋如何消除這些汙垢的一個主要研究方向。然而，晶體汙垢是一個多相問題，除了材料本身之外，晶體和材料之間、晶體和液體之間、液體和材料之間的相互作用，都在汙垢的形成方面起到了重要作用。

現在，麻省理工學院的一組研究人員觀察到了一種或許有效

減少這種汙損的新方法。

他們發現，

在疏水錶面和熱量的共同作用下，溶解的鹽能以一種特殊的方式結晶。結晶形成的固體能很容易從表面去除，

在有的情況下，甚至僅靠重力的作用就能讓這些結晶輕鬆脫落。

研究人員將這一發現發表在了

4月28日的

《科學進展》雜誌上。

在新研究中，當實驗人員觀察了含有飽和氯化鈉

（NaCl，食鹽的主要成分）

的溶液在一個疏水錶面的蒸發。發現隨著液體的蒸發，鹽隨之沉澱，並在液滴周圍形成一個類似球形的三維晶體結構。

這時，他們觀察到了一個出人意料的現象，隨著蒸發過程的繼續，這種類球形的殼會突然長出一組細長的“腿”。

這一過程會反覆發生，產生許多的腿狀結構，使得整個結構看起來像是某

種有腿的生物。研究人員也因此在論文中將這種結構稱為“

晶體生物

”。

晶體生物具有很多種不同的的形狀，比如研究人員就將圖中所示的三種形狀從左到右依次稱為螃蟹、大象和機器人。| 圖片來源：MIT

經過多次實驗和分析，研究人員確定了

產生這些腿狀突起的

自噴射

機制。

這些腿是空心的管，溶液能透過這些中空的管道向下流動。一旦到達底部，液體蒸發，就會形成新的晶體，使得管的長度不斷增加。

最終，表面和晶體之間的接觸變得非常有限，過長

的腿會無法支撐腿上的重量，

因此晶體很容易被移除，甚至偶爾

晶體會自行

滾動並脫落。

此外，他們還觀察到這些突起物會根據

溫度

的變化和

疏水錶面的性質

的不同而改變。

在實驗過程中，當疏水錶面的溫度低於50°C時，研究人員並沒有觀察到晶體生物的形成。當表面溫度高於50°C時，晶體生物的生長開始變得更加明顯。隨著溫度的升高，蒸發的時間會隨之減少，並且開始“長腿”之前的時間與腿的生長時間之比也隨溫度的升高而減小。

因此

在溫度更高的疏水錶面上形成的晶體生物，往往比溫度更低的表面上形成的晶體生物更早長出腿

，且在更高溫度的表面上最終形成的腿的長度也更大

。也就是說，

溫度越高，晶體生物就生長和脫離得越快，減少了表面被阻塞的時間。而且研究人員還發現，透過改變表面的溫度，甚至有可能使晶體結構朝著特定的方向滾動。

在研究中，他們還分析了表面紋路對生物晶體生長的影響。發現雖然許多不同長度尺度的紋路都能形成具有疏水性的表面，但只有具有奈米尺度的紋路的疏水錶面，才能產生這種自噴射效應。當一滴鹽水在超疏水錶面蒸發時，通常會發生的情況是，這些晶體開始進入結構內部，形成一個球體，並最終遺留在那裡，並不會長出細長的腿。因此，表面的質地和紋路對自噴射效應至關重要。

這項研究不僅給我們展示了一個有趣的現象，還

具有極大的實際意義。

它可以擴大未經處理的鹽水在工業過程中的使用範圍，比如在一些工業冷卻過程中，可以直接使用

含鹽或微鹹的水來冷卻系統，以幫助緩解淡水短缺的問題

。據介紹，

僅在美國，每年就有1萬億加侖的淡水被用於冷卻，這是一個很大的數字，要知道一個典型的600兆瓦的發電廠每年消耗的水量約為10億加侖，這足供10萬人次使用。

它還可以

減輕工業過程中的各種礦物汙染。

各種金屬在海洋環境中或暴露在海水中都會發生結垢和腐蝕。新的發現或許能為研究結垢和腐蝕的機制提供新方法。

另外，在某些情況下

，新發現的機制

還可能帶來額外的經濟效益。

回收的鹽和其他礦物可以成為可銷售的產品。雖然最初的實驗是用普通的氯化鈉完成的，但據預計，其他種類的鹽或礦物質也能產生類似的效果。現在，研究人員正計劃將這一過程擴充套件到其他種類的溶液上。

#

參考來源：

https：//news。mit。edu/2021/salt-metal-surfaces-0428

https：//advances。sciencemag。org/content/7/18/eabe6960

#圖片來源

：

封面圖：Courtesy of Kripa Varanasi， Samantha McBride and Henri-Louis Girard， et al

此文章轉載自：原理