El proceso de incrustación por cristalización es un fenómeno en el que se forman incrustaciones en las superficies. Está muy extendido 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 difíciles de alcanzar debido a la falta de comprensión de cómo se adhieren las microincrustaciones en ambientes acuosos dinámicos.
En un estudio ahora publicado en Science Advances , Julian Schmid y un equipo de investigadores en ingeniería de superficies en Suiza y EE. UU. estudiaron la dinámica interfacial de microincrustantes mediante el uso de un sistema de medición de dinámica de fluidos con microescaneo para demostrar un recubrimiento desarrollado racionalmente que elimina el 98% de los depósitos en condiciones de flujo cortante. /P>
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. Sin embargo, la naturaleza finita de estos recursos y los crecientes desafíos globales, incluidos el cambio climático y el crecimiento demográfico, los someten a una tensión cada vez mayor. Los métodos pasivos para repeler la formación de incrustaciones incluyen ingeniería de superficies, materiales interfaciales y recubrimientos, que son alternativas atractivas para la sostenibilidad y también rentables.
Los investigadores también se habían centrado anteriormente en el desarrollo de superficies antiincrustantes rígidas que alteren la energía superficial de los materiales para eliminar las incrustaciones. Los científicos de materiales han mostrado un interés creciente en el desarrollo de materiales y recubrimientos interfaciales que mejoren las propiedades antiincrustantes utilizando las barreras inherentes del material.
En este nuevo trabajo, Schmid y sus colegas desarrollaron un nuevo método para estudiar la física de la adhesión de microincrustantes y crearon un medidor dinámico de fluidos con microescaneo. Los científicos revelaron tres mecanismos subyacentes de eliminación de microincrustaciones para diseñar un recubrimiento microtexturizado y probaron su escalabilidad en condiciones de flujo laminar y turbulento. El resultado puede arrojar luz sobre las propiedades de la cristalización y la incrustación de partículas, y conducir al diseño de materiales interfaciales como superficies antiincrustantes para abordar los desafíos del nexo 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 cristalito-agua. Schmid y sus colegas cuantificaron la eliminación de microincrustaciones de sustratos con cumplimiento variable determinando la humectabilidad de su superficie. Por ejemplo, para eliminar cristalitos de carbonato de calcio, el equipo utilizó un flujo de corte de agua laminar ajustable y visualizó simultáneamente el proceso bombeando agua a través de un capilar de vidrio para generar tensión de corte.
Schmid y su equipo también cuantificaron el proceso de eliminación de agregados mediante cizalla pasiva. Por ejemplo, cuando el equipo aplicó el método a un sustrato de vidrio rígido que había sufrido incrustaciones de cristalización bajo flujo de cizallamiento, observaron el cambio en el número de cristalitos en la superficie en relación con el valor inicial. Estas superficies de vidrio pueden volverse hidrófobas mediante un tratamiento con fluorosilano y una silicona suave para resaltar la naturaleza intrincada de las interacciones sustrato-cristalita y demostrar las propiedades de la superficie con microincrustantes.
Los eventos individuales de eliminación de cristalitos fueron rápidos, lo que tiene implicaciones sustanciales para los materiales antiincrustantes o escalefóbicos, ya que permite la eliminación de cristalitos antes de que se acumulen tenaces capas de incrustaciones. Para comprender los mecanismos subyacentes a una mayor repelencia hacia el recubrimiento a base de incrustaciones, los científicos de materiales reemplazaron cristalitos de incrustaciones complejas que varían en tamaño con micropartículas esféricas de poliestireno de tamaño comparable para estudiar el efecto de la cizalladura del agua, su módulo de Young, su humectabilidad y su espesor.
Además de la incrustación por cristalización, Schmid y su equipo utilizaron incrustaciones de partículas depositando microincrustaciones en el recubrimiento como otro subconjunto del método. La mayoría de las microincrustaciones eran más pequeñas que el espesor del recubrimiento, aunque las incrustaciones de hielo e hidratos excedían este espesor. Los científicos realizaron experimentos adicionales para detectar las interacciones entre el microincrustante y el revestimiento.
Las investigaciones existentes han demostrado que los hidrogeles uniformes, no porosos y con un comportamiento de hinchamiento reducido requieren un contenido de polímero de al menos un 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 que afectó negativamente las propiedades de adhesión y eliminación del recubrimiento.
Los resultados resaltaron la excelente fobia a las incrustaciones del recubrimiento. Por ejemplo, los primeros cristalitos se eliminaron del polímero microtexturizado casi inmediatamente después de iniciar el flujo. Desde el principio, el equipo eliminó una cantidad sustancial de cristalitos para obtener una superficie casi limpia para resaltar las propiedades de incrustación del recubrimiento diseñado en condiciones de flujo turbulento.
Perspectivas
De esta manera, Julian Schmid y su equipo incorporaron teorías de adhesión y fluidos interfaciales para desarrollar un método para estudiar la física subyacente de la adhesión y eliminación de microincrustaciones de materiales de ingeniería. Desarrollaron esta técnica basándose en un método previamente establecido para analizar materiales antiincrustantes para mejorar el enfoque para estudiar los antiincrustantes.
El método proporcionó información sobre la dinámica del comportamiento total del revestimiento. Los resultados revelaron las interacciones entre los contaminantes, los sustratos y el agua para eliminar los cristalitos adheridos a la superficie en condiciones de flujo. El equipo exploró la versatilidad de los materiales antiincrustantes y cómo las estrategias de diseño variaban según el mecanismo de incrustación dominante.
Por ejemplo, con incrustaciones de partículas, las superficies de revestimiento rígido tuvieron un buen desempeño, mientras que los recubrimientos blandos obtuvieron mejores resultados con incrustaciones de cristalización. Por otro lado, los hidrogeles tenían un bajo contenido de polímero y, por lo tanto, mostraron un excelente rendimiento de eliminación tanto de microincrustaciones como de cristalitos. Para los hidrogeles no porosos e hidrófilos, fue necesario aumentar el contenido de polímero, lo que Schmid y su equipo mitigaron microtexturizando la superficie.
Los científicos de materiales crearon superficies intrínsecamente escalófobas e hidrogeles blandos microtexturizados para eliminar las regiones predominantes de cristalitos. Los resultados proporcionan detalles importantes para el diseño de superficies antiincrustantes y escalefóbicas para la investigación de adherencia y transporte interfacial en condiciones de flujo y transferencia de calor.
Más información: Julian Schmid et al, Impartir fobicidad a la escala con microtexturización racional de materiales blandos, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324
Información de la revista: Avances científicos
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