Mineralne obloge se v industrijskih cevovodih nabirajo v podobnem procesu, kot ga poznamo pri vodnem kamnu v gospodinjskih kotličkih – le da v industriji nastajajo v precej večjih količinah in povzročajo bistveno višje stroške. Nabiranje mineralnega kamna v energetskih, hladilnih in vodovodnih sistemih zmanjšuje pretok, obremenjuje infrastrukturo ter zvišuje stroške obratovanja, kar je eden ključnih izzivov upravljavcev teh sistemov.
Nova raziskava inženirjev Univerze Rice odpira možnost, da bi laboratorijsko vzgojeni diamantni premazi ponudili bolj trajnostno in dolgoročno rešitev. Kot izhaja iz analize, bi takšni premazi lahko nadomestili kemične dodatke in mehanske postopke čiščenja, ki so v uporabi že desetletja, vendar ponujajo le začasno olajšanje ter imajo okoljske in operativne omejitve. Na univerzi poudarjajo, da narašča povpraševanje po materialih, ki se naravno upirajo nalaganju mineralov in ne zahtevajo stalnega posredovanja.
„Zaradi teh omejitev narašča zanimanje za materiale, ki se lahko naravno upirajo nastajanju vodnega kamna brez stalnega posredovanja,“ je navedel Xiang Zhang, docent za raziskave na področju znanosti o materialih in nanoinženiringa ter prvi avtor študije, ki jo je pripravil skupaj s podoktorsko raziskovalko Yifan Zhu. Ob tem je poudaril, da njihovo delo „obravnava to nujno potrebo z opredelitvijo premaznega materiala, ki lahko sam po sebi ‘ostane čist’.“
V središču raziskave je diamant – material, poznan po izjemni trdoti, stabilnosti in odpornosti na visoke temperature. Doslej so bili diamantni filmi v industriji preučevani predvsem kot zaščita pred biološkim obraščanjem ali bakterijsko rastjo, sistematične raziskave njihovega vpliva na mineralno nalaganje pa so bile omejene.
Dušikova površina: presenetljiva prednost
Raziskovalna ekipa je diamantne premaze vzgojila z metodo mikrovalovnega plazemsko-kemičnega nanašanja iz pare (MPCVD), pri kateri se metan in vodik v plazemski komori razgradita na ogljikove atome, ti pa se nato pritrdijo na silicijev nosilec. S kontroliranimi naknadnimi obdelavami so lahko spreminjali površinsko kemijo posameznih plasti in preizkušali njen vpliv na začetne faze nastanka vodnega kamna.
Najbolje se je izkazala različica diamanta, zaključenega z dušikom. Ta površina je, v primerjavi s premazi, zaključenimi s kisikom, vodikom ali fluorom, nabrala več kot za velikostni red manj mineralnih oblog. Mikroskopski posnetki so prikazali razpršene, nezvezne kristalne skupke, medtem ko so se na drugih površinah oblikovale goste in kompaktne plasti.
Raziskovalci dodajajo, da molekularne simulacije pojasnijo, zakaj se dušikova površina obnaša drugače: na njej se tvori tesno urejena plast molekul vode, ki ustvarja nekakšen „ščit“ in otežuje vezavo mineralnih ionov.
Obetavna rešitev za širok spekter tehnologij
Enaka površinska kemija je bila nato uporabljena tudi na diamantnih elektrodah, dopiranih z borom, ki se uporabljajo v elektrokemijskih napravah. Tudi tam so elektrode zbrale približno sedmino običajne količine vodnega kamna, njihove funkcionalne lastnosti pa so ostale nespremenjene.
Kombinacija mikroskopskih preiskav, kemijske analize in meritev adhezije je, kot pojasnjujejo raziskovalci, omogočila celovit vpogled v količino in trdnost nastalih oblog. Zhang je ob tem dodal, da je „tako obsežno študijo prej omejevala cena in dostopnost visokokakovostnih diamantnih filmov ter zanesljivih metod površinske obdelave“, pri čemer naj bi šele nedavni tehnološki napredek omogočil natančne primerjalne analize.
Potencial uporabe poudarjajo tudi drugi avtorji. Pulickel Ajayan, profesor inženirstva Benjamina M. in Mary Greenwood Anderson, je navedel, da „te ugotovitve identificirajo s paro vzgojene, stroškovno učinkovite, polikristalne diamantne filme kot močan, dolgotrajen material proti vodnemu kamnu s širokim potencialom pri razsoljevanju vode, energetskih sistemih in drugih panogah“.
Jun Lou, profesor materialov in nanoinženiringa, je dodal, da je postopek nanašanja zaradi svoje prilagodljivosti „zelo privlačen tudi za različne industrijske sektorje“.
Foto: Pixabay
