火力發(fā)電廠因使用熱水而產(chǎn)生的水垢積聚會嚴(yán)重影響效率，這促使研究人員開發(fā)出一種新型軟水凝膠表面涂層，它能排斥水垢晶體并防止其附著。水垢主要由碳酸鈣組成，在家庭周圍、水壺、水箱和洗衣機(jī)內(nèi)部都能看到水垢堆積，尤其是在水質(zhì)較硬（即礦物質(zhì)含量較高）的地區(qū)，以及表面接觸熱水時(shí)。

水垢積聚在家中固然令人煩惱，但對火力發(fā)電廠的影響更大。這些發(fā)電廠使用鍋爐加熱水，產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動渦輪機(jī)產(chǎn)生機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。工業(yè)熱交換器和膜很容易結(jié)垢，由于熱傳導(dǎo)和流動性能效率降低，每年造成的能源損失巨大，至少占全球能源總產(chǎn)量的 2%。

為了解決這個(gè)問題，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作開發(fā)了一種創(chuàng)新的水凝膠表面涂層，可以驅(qū)除水垢并防止其附著。

研究人員首先在顯微鏡下觀察了單個(gè)水垢晶體和周圍的水流，以了解晶體如何在動態(tài)水環(huán)境中沉積和附著。然后，他們著手用軟材料開發(fā)了幾種涂層，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測試。

測試對象聚苯乙烯珠在凹槽表面上。（攝影：朱利安·施密德 / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)

研究人員用來測試石灰晶體如何粘附到不同表面的測試裝置。（攝影：朱利安·施密德 / 蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

電鏡下凹槽表面僅有幾微米大小的石灰晶體。（照片：朱利安·施密德/蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

研究人員主要對不同的聚合物含量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚合物含量越低、含水量越高，碳酸鈣晶體在表面的附著力就越差。研究人員的設(shè)計(jì)靈感來源于大自然，特別是鯊魚皮膚上的脊，這種脊會使微生物很難附著。使用聚苯乙烯制成的模型顆粒進(jìn)行的測試表明，表面脊必須比沉積在上面的顆粒小，這樣才能減小接觸面，從而減小產(chǎn)生的粘合力。

該研究的第一作者朱利安-施密德（Julian Schmid）說："我們改變了材料的表面，以達(dá)到最高效率，然后以最佳結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行晶體實(shí)驗(yàn)。"

電子顯微鏡下看到的與脊?fàn)钏z表面涂層接觸的微米級水垢晶體 Julian Schmid/ETH Zurich

在水垢晶體實(shí)驗(yàn)過程中研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水流過柔軟的水凝膠涂層表面時(shí)，多達(dá) 98% 大小約為 10 微米的晶體被清除。在相同條件下，這比使用未經(jīng)處理的硬質(zhì)基底要好 66%。

目前，有時(shí)使用有毒化學(xué)品來清除熱交換器和膜上的水垢。研究人員說，他們的新型表面涂層比目前的方法更環(huán)保、更高效。此外，他們還希望他們的解決方案可以推廣。

研究人員沒有為他們的方法申請專利，而是決定公布他們的研究結(jié)果，以便其他有關(guān)方面使用和進(jìn)一步開發(fā)這種新型涂層。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。