Microtexturização de materiais macios para remover microincrustantes aquosos
Dinâmica da microincrustante sob fluxo de água acionado por cisalhamento. Sequência de imagens de vista inferior mostrando cristalitos de carbonato de cálcio em (A) vidro não revestido, (B) vidro revestido com 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodeciltrietoxissilano (PFDTES), (C) vidro revestido com polidimetilsiloxano (PDMS 10:1) (revestimento espessura, δ ≈ 10 μm) e (E) diacrilato de poli(etilenoglicol) (PEG-DA 10) - vidro revestido (δ ≈ 10 μm) imerso em água e submetido a um fluxo de cisalhamento (começando em t =0 s, a taxa de fluxo aumenta de 7 para 103 ml/min em um canal de 80 μm de altura, resultando em uma velocidade global =0,2 a 6 m s
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). A imagem inserida revela que o diâmetro do cristalito é de aproximadamente 5 a 15 μm. Imagens de zoom mostrando a remoção de cristalitos únicos dos substratos compatíveis (D) PDMS 10:1 e (F) PEG-DA 10. Definimos o número de cristalitos visíveis na superfície como n, e seu valor inicial, n0 . (G) Evolução temporal de n/n0 para vários revestimentos em substratos de vidro. As linhas que representam os valores médios e as regiões sombreadas são o DP para e ≥ 9 experimentos em N =3 amostras independentes. (H) Influência da rigidez e molhabilidade em n(t =20 s)/n0 para vários revestimentos em substratos de vidro. Barras de escala, (A) a (C) e (E) 100 μm; inserção:(A) 10 μm e (D) e (F) 10 μm. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324 O processo de incrustação de cristalização é um fenômeno em que se formam incrustações nas superfícies. É difundido na natureza e na tecnologia e afeta as indústrias de energia e água. Apesar das tentativas anteriores, superfícies racionalmente projetadas com resistência intrínseca permanecem indefinidas devido à falta de compreensão de como as microincrustantes aderem em ambientes aquosos dinâmicos.
Em um estudo agora publicado na Science Advances , Julian Schmid e uma equipe de pesquisadores em engenharia de superfície na Suíça e nos EUA estudaram a dinâmica interfacial de microincrustações usando um sistema de medição dinâmica de fluidos de microvarredura para demonstrar um revestimento desenvolvido racionalmente que remove 98% dos depósitos sob condições de fluxo de cisalhamento.
A dinâmica da água e da energia
A água e a energia são recursos interligados, onde a água é necessária para produzir energia para transporte, dessalinização e tratamento de água. A natureza finita destes recursos e os crescentes desafios globais, incluindo as alterações climáticas e o crescimento populacional, colocam-nos, no entanto, sob maior pressão. Os métodos passivos para repelir a formação de incrustações incluem engenharia de superfície, materiais interfaciais e revestimentos, que são alternativas atraentes para a sustentabilidade e também são econômicas.
Os pesquisadores também haviam se concentrado anteriormente no desenvolvimento de superfícies anti-incrustantes rígidas que alteram a energia superficial dos materiais para eliminar a incrustação. Cientistas de materiais têm demonstrado um interesse crescente no desenvolvimento de materiais interfaciais e revestimentos que melhorem as propriedades anti-incrustantes usando as barreiras inerentes ao material.
Neste novo trabalho, Schmid e colegas desenvolveram um novo método para estudar a física da adesão de microincrustantes e criaram um medidor dinâmico de fluidos de microvarredura. Os cientistas revelaram três mecanismos subjacentes de remoção de microincrustantes para projetar um revestimento microtexturizado e testaram sua escalabilidade sob condições de fluxo laminar e turbulento. O resultado pode esclarecer as propriedades de cristalização e incrustação de partículas, e levar ao projeto de materiais interfaciais como superfícies anti-incrustantes para enfrentar os desafios do nexo água-energia.
Materiais bioinspirados
A natureza apresenta exemplos excepcionais de super molhabilidade e sistemas de transporte que contribuíram para o desenvolvimento de substratos repelentes bioinspirados para a investigação da dinâmica das interações cristalito-água. Schmid e colegas quantificaram a remoção de microincrustantes de substratos com conformidade variável, determinando sua molhabilidade superficial. Por exemplo, para remover cristalitos de carbonato de cálcio, a equipe usou um fluxo de cisalhamento de água laminar ajustável e simultaneamente visualizou o processo bombeando água através de um capilar de vidro para gerar tensão de cisalhamento.
Schmid e sua equipe também quantificaram o processo passivo de remoção de agregados acionado por cisalhamento. Por exemplo, quando a equipe aplicou o método a um substrato de vidro rígido que havia sofrido incrustações de cristalização sob fluxo de cisalhamento, eles observaram a mudança no número de cristalitos na superfície em relação ao valor inicial. Essas superfícies de vidro podem ser tornadas hidrofóbicas por tratamento com fluorosilano e um silicone macio para destacar a natureza complexa das interações substrato-cristalita e demonstrar propriedades de superfície com microincrustantes.
Microincrustantes modelo
Os eventos individuais de remoção de cristalitos foram rápidos, o que tem implicações substanciais para materiais anti-incrustantes ou incrustantes, pois permite a remoção de cristalitos antes da formação de camadas de incrustações tenazes. Para compreender os mecanismos subjacentes à repelência aprimorada em relação ao revestimento à base de incrustações, os cientistas de materiais substituíram cristalitos de incrustações complexas que variam em tamanho por micropartículas esféricas de poliestireno de tamanhos comparáveis para estudar o efeito do cisalhamento da água, seu módulo de Young, molhabilidade e espessura.
Além da incrustação de cristalização, Schmid e sua equipe usaram incrustações de partículas, depositando microincrustantes no revestimento como outro subconjunto do método. A maioria das microincrustantes eram menores que a espessura do revestimento, embora as incrustantes de gelo e hidrato excedessem essa espessura. Os cientistas realizaram experimentos adicionais para detectar as interações microincrustantes-revestimento.
Projetando e desenvolvendo um revestimento inscalefóbico
A pesquisa existente mostrou como hidrogéis uniformes e não porosos com baixo comportamento de inchamento requerem um teor de polímero de pelo menos 40% em peso. Para seguir um processo de fabricação semelhante, Schmid e colegas optaram por aumentar o teor de polímero do revestimento para 50% em peso, o que afetou negativamente as propriedades de adesão e remoção do revestimento.
Os resultados destacaram a excelente fobicidade de escala do revestimento. Por exemplo, os primeiros cristalitos foram removidos do polímero microtexturizado quase imediatamente após o início do fluxo. Desde o início, a equipe removeu um número substancial de cristalitos para obter uma superfície quase limpa para destacar as propriedades de incrustação do revestimento projetado sob condições de fluxo turbulento. Remoção de cristalito por cisalhamento do PED-DA 50 microtexturizado em uma câmara de fluxo de placas paralelas. (A) Esquema (sem escala) da seção de teste. A câmara de polimetilmetacrilato é composta por um canal de placas paralelas conectado a um sistema fluídico (reservatório, bomba e medidor de vazão), que proporciona um fluxo de cisalhamento turbulento no canal (altura a =3 mm, largura b =12 mm, comprimento l =120 mm, diâmetro hidráulico DH =4,8mm; Re =ρuDH /μ ≈ 6800; você ≈ 1,4 m s
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). (B) Procedimento experimental mostrando, ao longo do tempo, t. Sequência de imagens de vista inferior mostrando a remoção de cristalitos de carbonato de cálcio do revestimento PEG-DA 50 microtexturizado (C) (largura w =2 μm, altura e =2 μm, passo p =6 μm). Direção do fluxo da esquerda para a direita. (D) Sequência de imagem ampliada mostrando remoção de cristalitos. Direção do fluxo da esquerda para a direita. Barras de escala, (C) 200 μm e (D) 20 μm. Crédito:Avanços da Ciência (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324 Perspectiva
Dessa forma, Julian Schmid e sua equipe incorporaram teorias de adesão e fluídica interfacial para desenvolver um método para estudar a física subjacente da adesão e remoção de microincrustantes em materiais de engenharia. Eles desenvolveram esta técnica com base em um método previamente estabelecido para analisar materiais antiincrustantes para melhorar a abordagem de estudo do antiincrustante.
O método forneceu insights sobre a dinâmica do comportamento total do revestimento. Os resultados revelaram as interações entre incrustantes, substratos e água para remover cristalitos aderidos à superfície sob condições de fluxo. A equipe explorou a versatilidade dos materiais antiincrustantes e como as estratégias de projeto variavam dependendo do mecanismo de incrustação dominante.
Por exemplo, com incrustações particuladas, as superfícies de revestimento rígido tiveram um bom desempenho, enquanto o revestimento macio superou as incrustações de cristalização. Os hidrogéis, por outro lado, tinham um baixo teor de polímero e, portanto, mostraram excelente desempenho de remoção tanto para microincrustantes quanto para cristalitos. Para hidrogéis não porosos e hidrofílicos, o teor de polímero teve que ser aumentado, o que Schmid e equipe atenuaram microtexturizando a superfície.
Os cientistas dos materiais realizaram superfícies intrinsecamente escalfóbicas e hidrogéis macios microtexturizados para remover regiões predominantes de cristalitos. Os resultados fornecem detalhes significativos para o projeto de superfícies antiincrustantes e incrustantes para pesquisa de adesão e transporte interfacial sob condições de transferência de calor e fluxo.
Mais informações: Julian Schmid et al, Transmitindo escamofobia com microtextura racional de materiais macios, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj0324 Informações do diário: Avanços da ciência
