一種新發現的機制，即鹽晶體從奈米工程表面脫落的現象，可以推動工業材料的開發，用於抵抗淡水和鹽水中礦物質的積聚。
水不僅在人們的日常生活中不可或缺，在工業上也是如此。在發電廠中，淡水被廣泛用於透過蒸汽渦輪機的旋轉，將熱能轉換為力學能。隨著氣候變遷對淡水供應構成的威脅日益加劇，保護地球有限的水資源比以往任何時候都更為重要。在地球上的總水量，僅有約1%以液態淡水的形式存在，還有2%為封存在例如冰川和雪冠等的固態淡水。其餘的97%為鹽水，分佈於海洋和海域內。
將鹽水利用於工業過程可以顯著地緩解對淡水需求的壓力。然而，在工業過程中用鹽水取代淡水並不是一個簡單的解決方案。淡水和鹽水都含有可溶解的礦物質，這些礦物質往往會積聚在表面。一個常見的例子是洗手台和淋浴間中出現的皂垢。礦物質積聚在工業過程中會是一個更大的問題，特別是那些涉及例如蒸發或沸騰等的相變過程。如果使用更充足但富含更多礦物質的鹽水，這個問題只會變得更糟。
自潔凈（self-cleaning）材料對於減少系統中的低效率運行將會大有幫助，但現有的塗層並不足以解決這個問題。關鍵可能在於以奈米工程製作的表面紋理結構。
我和同事們在麻省理工學院克里帕·瓦拉納西（Kripa Varanasi）的研究團隊共同研究了水滴的蒸發行為及不同表面對此的影響。當鹽水在疏水表面上蒸發時，會形成球狀結構的鹽晶體。這些結構是造成表面積聚問題的一部分。然而，在適當的條件下，這些結構會自行從表面消失。
棘手的結垢問題
礦物質積聚，即一種所謂的結垢（scaling）過程，通常是由鈣鹽或鎂鹽的積累引起的。它會導致一系列不利且代價高昂的影響，擾亂關鍵的工業流程。結垢會阻礙管道及其他流體傳輸系統中的流動，妨礙鍋爐和熱交換器中的熱傳遞，並降低化學反應器的效率。
現有防止礦物質結垢的方法主要依靠化學物質或手動清潔方式。阻垢劑（antiscalants）雖然有效，但通常具有毒性，排放到環境時可能對當地生態系統造成重大危險。手動清潔成本既高又耗時，而且無法防止後續的礦物質積聚。
這些挑戰突顯了尋求替代解決方案的必要性，以永續且高效的方式處理結垢問題。一種方法是界面工程（interfacial engineering），旨在改變暴露於水和溶解礦物質表面的材料特性。界面塗層的厚度範圍從10到1000奈米不等，遠薄於它們所包覆與保護的主體工業材料。
鹽晶異怪
當瓦拉納西團隊正在研究這種界面塗層時，注意到了一種不尋常的行為：結垢從材料上脫落。晶體如預期由蒸發的水滴形成，但當材料加熱至50°C以上時，這些晶體會從塗層中自行脫離。高而細長的結構生成，並將鹽晶體結構向上推離表面。它們與水母（見圖1）和其他生物的相似性，加上它們詭異又類生命的生長方式，我們因此將這些構造取名為「鹽晶異怪（crystal critters）」。
圖1. 鹽晶異怪的生長過程。一滴鹽水蒸發後留下鹽晶體。這些晶體的結構取決於表面的紋理。(a) 在微米級紋理的超疏水表面上，柱狀凸起之間的間隙足夠大，使得鹽晶體能嵌入表面。整體鹽晶體結構在表面上蔓延並附著於其上。(b) 相比之下，奈米級紋理的表面沒有足夠大的間隙供晶體生成。不過，90°C 表面上的蒸發通量促使晶體的「觸角」向外生長，進一步將礦物質從材料中脫出。（改編自 S. A. McBride, H.-L. Girard, K. K. Varanasi, Sci. Adv. 7, eabe6960, 2021。）
在探究為何超疏水材料在抗附著方面最初表現良好，但長期暴露於天然水源後最終失效時，我們發現了這種異常的現象。超疏水材料是指疏水力很強的材料，從側面觀察表面上的水滴呈現幾乎完美的圓形；接觸角大於150°。通常，超疏水性源於微米級的材料紋理，而我們的研究調查證實這些結構是抗附著性失敗的原因。正如圖1a所示，在表面上的一滴水先開始蒸發並擴散，而接觸角逐漸變小。然後鹽晶體在微米柱狀表面紋理之間的開放空間積聚。晶體沿著表面的分布會導致疏水性的喪失。
但超疏水材料也可以製成奈米級而非微米級的紋理，如圖1b所示。當鹽晶體開始在界面附近生成時，奈米級紋理會對它們產生壓力。由於晶體無法生長到小孔隙的下層材料，它們的生長過程反而會將整個晶體結構向上推離表面。因此，這些異怪從表面升起，並在蒸發完成後最終從材料上滾落或掉落（圖2），使表面恢復乾淨且不再殘留鹽分。
圖2. 去除表面結垢通常是一個有害的過程。不過，當鹽晶體生長在它們無法附著的表面上時，晶體球體會在纖細的晶體「觸角」支撐下從表面升起。隨著蒸發的完成，幾乎沒有作用力保持礦物結構附著於表面上，因此晶體通常會滾落或脫離表面。整個脫落過程最快可在四分鐘內完成。
儘管我們對鹽晶異怪的初步研究中使用的是純鹽水，但現實世界中的鹽水來源（例如海水），則含有多種其他物質。我們發現加入模擬用的污染物，包括鈣鹽、膠體粒子和表面活性劑，可以增強晶體的自發脫離效應。當其他物質存在時，氯化鈉的溶解度極值降低。這種降低促使蒸發過程中晶體的形成，並進而加速自發脫離的過程。
鹽晶異怪現象的發現為某些工業用途開啟了使用鹽水替代淡水的可能性。這一技術可以使用於涉及相變的熱交換過程，例如高溫表面的噴霧冷卻，該技術本身已經依賴水滴或水膜在高溫表面上的蒸發來進行有效率的熱交換。透過將晶體的自發脫離現象整合到此類系統中，工程師或許能設計出利用廢鹵水（brine）代替有限淡水資源的永續製程。
參考文獻
► S. A. McBride, H.-L. Girard, K. K. Varanasi, “Crystal critters: Self-ejection of crystals from heated, superhydrophobic surfaces,” Sci. Adv. 7, eabe6960 (2021). https://doi.org/10.1126/sciadv.abe6960
► S. A. McBride, J. R. Lake, K. K. Varanasi, “Self-ejection of salts and other foulants from superhydrophobic surfaces to enable sustainable anti-fouling,” J. Chem. Phys. 158, 134721 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0142428
► J. Goldberg, “These strange salt ‘creatures’ could help unclog power plant pipes,” Scienceshots (28 April 2021).
► F. Geyer et al., “When and how self-cleaning of superhydrophobic surfaces works,” Sci. Adv. 6, eaaw9727 (2020). https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw9727
薩曼莎·麥克布萊德（Samantha McBride）是賓夕法尼亞大學機械工程與應用力學系的助理教授。她在麻省理工學院攻讀博士期間完成了本文描述的研究工作。
本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Oct. 2024雜誌內( DOI: 10.1063/pt.ntmp.zjek )。作者: Richard Taylor。中文編譯：劉雨恩，國立台灣大學物理系學生。
Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates Physics Today (American Institute of Physics) authorizing Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Richard Taylor and was published in (Physics Today, Dec. 2024; DOI: 10.1063/pt.ntmp.zjek ). The article in Mandarin is translated and edited by Y. Ｅ, Liu, studying at the Department of Physics, National Taiwan University.
