微纹理软材料去除水中微污染物

　　结晶结垢过程是一种在表面上形成水垢的现象。它在自然界和技术中广泛存在，并影响到能源和水工业。尽管之前有过尝试，但由于缺乏对微污染物在动态水环境中如何粘附的理解，合理设计具有内在阻力的表面仍然难以捉摸。

　　在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，Julian Schmid和瑞士和美国的表面工程研究小组通过使用微扫描流体动力学测量系统研究了微污染物的界面动力学，以证明在剪切流动条件下合理开发的涂层可以去除98%的沉积物。

　　水和能源是相互关联的资源，运输、海水淡化和水处理都需要水来生产能源。然而，这些资源的有限性和日益增长的全球挑战，包括气候变化和人口增长，使它们面临越来越大的压力。防止水垢形成的被动方法包括表面工程、界面材料和涂层，这些都是具有可持续性和成本效益的有吸引力的替代方法。

　　研究人员以前也专注于开发刚性防污表面，通过改变材料的表面能来消除污垢。材料科学家对界面材料和涂层的开发越来越感兴趣，这些材料和涂层利用材料固有的屏障来提高防污性能。

　　在这项新工作中，Schmid及其同事开发了一种新的方法来研究微污染物粘附的物理特性，并创建了一种微扫描流体动力学测量仪。科学家们揭示了去除微污染物的三种基本机制，设计了一种微纹理涂层，并测试了其在层流和湍流条件下的可扩展性。研究结果可以揭示结晶和颗粒污染的特性，并导致界面材料作为防污表面的设计，以解决水-能源关系的挑战。

　　自然界具有超润湿性和运输系统的特殊例子，这有助于开发用于研究晶体-水相互作用动力学的生物驱避基质。施密德和他的同事们通过测定基质的表面润湿性，量化了从基质中去除微污染物的不同依从性。例如，为了去除碳酸钙晶体，研究小组使用了可调的层流水剪切流，同时通过将水泵入玻璃毛细管产生剪切应力来可视化这一过程。

　　施密德和他的团队还量化了被动剪切驱动的骨料去除过程。例如，当团队将该方法应用于在剪切流下经历结晶结垢的刚性玻璃基板时，他们观察到表面上的晶体数量相对于初始值的变化。这种玻璃表面可以通过氟硅烷和软硅酮处理制成疏水性，以突出基材-晶体相互作用的复杂性质，并展示带有微杂质的表面特性。

　　晶体去除的单个事件是快速的，这对防污或疏垢材料具有重大意义，因为它允许在顽固的垢层形成之前去除晶体。为了了解防水性增强的机制，材料科学家们用大小相同的球形聚苯乙烯微粒代替了大小不同的复杂鳞状晶体，研究了水剪切、杨氏模量、润湿性和厚度的影响。

　　除了结晶污染外，Schmid和他的团队还将微粒污染作为该方法的另一个子集，通过在涂层上沉淀微污染物来实现。大多数微污染物小于涂层的厚度，但冰和水合物污染物超过了涂层的厚度。科学家们进行了额外的实验来检测微污染物与涂层的相互作用。

　　现有的研究表明，具有低膨胀特性的均匀无孔水凝胶需要聚合物含量至少占重量的40%。为了遵循类似的制造工艺，Schmid和同事选择将涂层的聚合物含量增加到重量的50%，这对涂层的附着力和去除性能产生了负面影响。

　　结果表明该涂层具有良好的阻垢性。例如，在开始流动后，第一个晶体几乎立即从微结构聚合物中去除。从一开始，该团队就去除了大量的晶体，以获得接近清洁的表面，以突出设计的涂层在湍流条件下的疏鳞性能。

　　前景

　　通过这种方式，Julian Schmid和他的团队结合了粘附和界面流体理论，开发了一种方法来研究微污染物粘附和从工程材料中去除的潜在物理学。他们基于先前建立的分析防污材料的方法开发了这项技术，以改进研究防污的方法。

　　该方法提供了洞察涂层的全部行为的动力学。结果揭示了在流动条件下，杂质、基质和水之间的相互作用可以去除表面粘附的晶体。该团队探索了防污材料的多功能性，以及设计策略如何根据主要的污垢机制而变化。

　　例如，在颗粒污垢中，刚性涂层表面表现良好，而软涂层在结晶污垢中表现较好。另一方面，由于水凝胶的聚合物含量低，因此对微污染物和微晶的去除效果都很好。对于无孔和亲水性水凝胶，必须增加聚合物含量，Schmid和团队通过表面微纹理减轻了聚合物含量。

　　材料科学家们实现了本质上的疏鳞表面和微结构的软水凝胶来去除晶体的主要区域。研究结果为设计防污和疏鳞表面、研究传热和流动条件下的粘附和界面输运提供了重要的细节。

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