據外媒報道，據估計，工業化國家的整個國內生產總值約四分之一是由於一個技術問題而損失的：熱交換器表面被鹽和其他溶解礦物污染。這種污染降低了多個工業過程的效率，對此所採取的對策往往都是昂貴的，如水預處理。
現在，來自麻省理工學院(MIT)的研究結果可能會帶來一種減少這種污染的新方法，甚至有可能將這種有害的過程轉化為生產過程從而生產出可銷售的產品。
這些發現是麻省理工學院(MIT)的Samantha McBride和Henri-Louis Girard跟機械工程教授Kripa Varanasi聯合研究多年的成果。日前發表在《Science Advances》上的這項研究表明，由於疏水表面和熱量的結合，溶解的鹽可以發生結晶，在某些情況下，僅靠重力就可以很容易地將它們從表面除去。
當研究人員開始研究鹽在這種表面上結晶的方式時，他們發現，沉澱的鹽最初會在液滴周圍形成部分球形殼。出乎意料的是，在蒸發過程中，這種貝殼會突然在一組細長的腿狀延伸物上上升。這一過程反覆產生了多足的形狀，它們像大象和其他動物甚至像科幻小說中的機器人。研究人員在論文標題中將這些岩層稱為“水晶生物”。
在經過多次實驗和詳細分析之後，該團隊確定了產生這些腿狀突起的機制。另外他們還展示了凸起是如何根據溫度和疏水表面的性質而變化的，疏水表面是通過創建一個低脊的納米級圖案而產生的。他們發現，支撐着這些生物狀形體的狹窄的腿會繼續從底部向上生長，因為鹹水會通過吸管狀的腿向下流動並在底部沉澱，這有點像一個正在生長的冰柱，只是它在頂端保持平衡。最終，它們的腿變得太長以至於無法支撐它們的重量，此時這一團鹽晶體就會脫落、掉落或被沖走。
Varanasi表示，這項工作的動機是希望限制或防止表面的結垢–包括管道內部的結垢，因為這些結垢可能導致堵塞。
“這些腿是空心管，液體通過這些管呈漏斗狀向下流動。一旦它到達底部並蒸發就會形成新的晶體進而不斷增加管的長度。最終，襯底和晶體之間的接觸非常有限，直到它們自己滾動，”McBride說道。
McBride回憶稱，在最初的實驗過程中，他們懷疑這個特殊的表面能很好地消除氯化鈉的粘附，但他們不知道阻止粘附的結果是整個東西從表面上被噴射出來。
McBride發現的一個關鍵是表面圖案的精確比例。雖然許多不同長度尺度的圖案都能產生疏水表面，但只有納米尺度的圖案才能達到這種自我噴射效果。“當你在超疏水表面蒸發一滴鹽水時通常會發生的是，這些晶體開始進入結構內部並形成一個球體，最終它們不會離開。所以，我們在這裡觀察的是關於質地和長度範圍的一些非常具體的東西，它們允許這種效果發生。”
這種基於表面蒸發的自我噴射過程其紋理可以通過蝕刻、磨損或塗層很容易地產生，它可以為多種工藝提供便利。各種金屬結構在海洋環境中或暴露在海水中都會發生結垢和腐蝕。研究人員稱，這些發現還可能為研究結垢和腐蝕機制提供新的方法。
另外研究人員還發現，通過改變晶體表面的熱量甚至有可能讓晶體結構朝着特定的方向滾動。溫度越高，這些形式的生長和脫離發生得越快並能減少晶體阻塞表面的時間。
熱交換器用於各種不同的過程，其效率受到任何錶面污垢的強烈影響。Varanasi表示，僅這些損失就相當於美國和其他工業化國家GDP的四分之一。但污染也是許多其他地區的一個主要因素。它影響到輸水系統的管道、地熱井、農業設施、海水淡化廠以及各種可再生能源系統和二氧化碳轉換方法。
Varanasi指出，這種方法甚至可以使未經處理的鹽水在某些不可行的過程中使用。此外，在某些情況下，回收的鹽和其他礦物還可以成為可銷售的產品。
雖然最初的實驗是用普通的氯化鈉完成的，但其他種類的鹽或礦物質預計也會產生類似的效果，研究人員正在繼續探索將這一過程擴展到其他種類的溶液。
Varanasi指出，因為製造疏水表面的紋理的方法已經發展得很好，所以大規模工業化實施這一過程應該會相對迅速，並且可以使用含鹽或微鹹的水來冷卻系統，否則就需要使用有價值且通常有限的淡水。
“這項工作顯示了一個顯著而有趣的現象，”來自西北大學的機械工程教授Neelesh Patankar–他沒有參與這項研究–說道，“這些發現可能會帶來一種全新的方法來減輕工業過程中的礦物污染。在我看來，這項工作不僅從基礎科學的角度來看非常有趣，而且還具有實際意義。”