Se estima que alrededor de un cuarto por ciento de todo el producto interno bruto de los países industrializados se pierde debido a un solo problema técnico:el ensuciamiento de las superficies del intercambiador de calor por sales y otros minerales disueltos. Este ensuciamiento reduce la eficiencia de múltiples procesos industriales y, a menudo, requiere contramedidas costosas, como el tratamiento previo del agua. Ahora, Los hallazgos del MIT podrían conducir a una nueva forma de reducir tales incrustaciones, y potencialmente incluso permitir convertir ese proceso deletéreo en uno productivo que pueda producir productos vendibles.

Los hallazgos son el resultado de años de trabajo de la recién graduada del MIT, Samantha McBride Ph.D. '20 y Henri-Louis Girard Ph.D. '20 con el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. La obra, reportado en la revista Avances de la ciencia , muestra que debido a una combinación de superficies hidrofóbicas (repelentes al agua) y calor, las sales disueltas pueden cristalizar de una manera que facilita su eliminación de la superficie, en algunos casos solo por gravedad.

Cuando los investigadores comenzaron a estudiar la forma en que las sales cristalizan en tales superficies, encontraron que la sal precipitante formaría inicialmente una capa esférica parcial alrededor de una gota. Inesperadamente, este caparazón se elevaría repentinamente sobre un conjunto de extensiones delgadas en forma de patas que crecieron durante la evaporación. El proceso produjo repetidamente formas de múltiples patas, parecido a elefantes y otros animales, e incluso droides de ciencia ficción. Los investigadores llamaron a estas formaciones "criaturas de cristal" en el título de su artículo.

Después de muchos experimentos y análisis detallados, el equipo determinó el mecanismo que producía estas protuberancias en forma de patas. También mostraron cómo las protuberancias variaban según la temperatura y la naturaleza de la superficie hidrofóbica. que se produjo mediante la creación de un patrón a nanoescala de crestas bajas. Descubrieron que las patas estrechas que sostienen estas formas parecidas a criaturas continúan creciendo hacia arriba desde la parte inferior, a medida que el agua salada fluye hacia abajo a través de las patas parecidas a pajitas y se precipita en el fondo, algo así como un carámbano en crecimiento, solo en equilibrio sobre su punta. Eventualmente, las piernas se vuelven tan largas que no pueden soportar el peso de la criatura, y la gota de cristal de sal se rompe y cae o es barrida.

El trabajo fue motivado por el deseo de limitar o prevenir la formación de incrustaciones en las superficies, incluidas las tuberías interiores donde tales incrustaciones pueden provocar bloqueos, Dice Varanasi. "El experimento de Samantha mostró este efecto interesante en el que la escala prácticamente se dispara por sí sola, " él dice.

"Estas piernas son tubos huecos, y el líquido se canaliza a través de estos tubos. Una vez que toca el fondo y se evapora, forma nuevos cristales que aumentan continuamente la longitud del tubo, "Dice McBride." Al final, tienes muy contacto muy limitado entre el sustrato y el cristal, hasta el punto en que estos simplemente se van a rodar por sí solos ".

McBride recuerda que al hacer los experimentos iniciales como parte de su trabajo de tesis doctoral, "Definitivamente sospechamos que esta superficie en particular funcionaría bien para eliminar la adhesión de cloruro de sodio, pero no sabíamos que una consecuencia de evitar esa adhesión sería la expulsión de todo "de la superficie.

Una llave, ella encontró, era la escala exacta de los patrones en la superficie. Si bien muchas escalas de longitud diferentes de patrones pueden producir superficies hidrófobas, solo los patrones a escala nanométrica logran este efecto de autoexpulsión. "Cuando evaporas una gota de agua salada en una superficie superhidrófoba, Por lo general, lo que sucede es que esos cristales comienzan a entrar en la textura y solo forman un globo, y no terminan despegando, "Dice McBride." Así que es algo muy específico sobre la textura y la escala de longitud que estamos viendo aquí que permite que ocurra este efecto ".

Este proceso de autoexpulsión, basado simplemente en la evaporación de una superficie cuya textura se puede producir fácilmente mediante grabado, abrasión, o revestimiento, podría ser de gran ayuda para una amplia variedad de procesos. Todo tipo de estructuras metálicas en un entorno marino o expuestas al agua de mar sufren incrustaciones y corrosión. Los hallazgos también pueden permitir nuevos métodos para investigar los mecanismos de incrustación y corrosión, dicen los investigadores.

Variando la cantidad de calor a lo largo de la superficie, Incluso es posible hacer que las formaciones de cristales rueden en una dirección específica, los investigadores encontraron. Cuanto mayor sea la temperatura, cuanto más rápido se produce el crecimiento y despegue de estas formas, minimizando la cantidad de tiempo que los cristales bloquean la superficie.

Los intercambiadores de calor se utilizan en una amplia variedad de procesos diferentes, y su eficiencia se ve fuertemente afectada por cualquier ensuciamiento de la superficie. Solo esas pérdidas Varanasi dice:equivale a un cuarto de un por ciento del PIB de los EE. UU. y otras naciones industrializadas. Pero las incrustaciones también son un factor importante en muchas otras áreas. Afecta a las tuberías de los sistemas de distribución de agua, pozos geotermales, entornos agrícolas, plantas de desalinización, y una variedad de sistemas de energía renovable y métodos de conversión de dióxido de carbono.

Este método, Varanasi dice:incluso podría permitir el uso de agua salada sin tratar en algunos procesos donde eso no sería práctico de otra manera, como en algunos sistemas de refrigeración industrial. Más lejos, en algunas situaciones, las sales recuperadas y otros minerales podrían ser productos vendibles.

Si bien los experimentos iniciales se realizaron con cloruro de sodio ordinario, se espera que otros tipos de sales o minerales produzcan efectos similares, y los investigadores continúan explorando la extensión de este proceso a otros tipos de soluciones.

Debido a que los métodos para hacer las texturas para producir una superficie hidrofóbica ya están bien desarrollados, Varanasi dice:La implementación de este proceso a gran escala industrial debería ser relativamente rápida, y podría permitir el uso de agua salada o salobre para sistemas de enfriamiento que de otro modo requerirían el uso de agua dulce valiosa y, a menudo, limitada. Por ejemplo, solo en los Estados Unidos, Se utilizan un billón de galones de agua dulce por año para enfriar. Una planta de energía típica de 600 megavatios consume alrededor de mil millones de galones de agua por año, que podría ser suficiente para servir 100, 000 personas. Eso significa que usar agua de mar para enfriar siempre que sea posible podría ayudar a aliviar un problema de escasez de agua dulce.