Resistenza ultraelevata del nitruro di boro esagonale alla formazione di incrostazioni minerali

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4523 (2022) Citare questo articolo

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La formazione di incrostazioni minerali sulla superficie di un materiale ha un profondo impatto su un'ampia gamma di processi naturali e sulle applicazioni industriali. Tuttavia, non è ben compreso il modo in cui le caratteristiche specifiche della superficie del materiale influenzano le interazioni minerale-superficie e la conseguente formazione di incrostazioni minerali. Qui riportiamo la resistenza superiore del nitruro di boro esagonale (hBN) alla formazione di incrostazioni minerali rispetto non solo alle comuni superfici metalliche e polimeriche ma anche al grafene altamente resistente alle incrostazioni, rendendo l'hBN forse il materiale più resistente alle incrostazioni finora segnalato. I risultati sperimentali e di simulazione rivelano che questa resistenza al ridimensionamento ultraelevata è attribuita alla combinazione della superficie atomicamente liscia dell'hBN, all'ondulazione dell'energia atomica nel piano dovuta al legame polare boro-azoto e alla stretta corrispondenza tra la sua spaziatura interatomica e la dimensione di molecole d'acqua. Queste ultime due proprietà portano a forti interazioni polari con l'acqua e quindi alla formazione di un denso strato di idratazione, che ostacola fortemente l'avvicinamento degli ioni minerali e dei cristalli, diminuendo sia la nucleazione eterogenea superficiale che l'attaccamento dei cristalli.

Le interazioni interfacciali svolgono un ruolo fondamentale in molti processi acquosi tra cui adsorbimento, reazione catalitica, corrosione, filtrazione e formazione di incrostazioni. In particolare, la formazione di incrostazioni, ovvero lo sviluppo di depositi minerali sulla superficie di un materiale a causa della precipitazione dalla soluzione sfusa e/o della formazione di cristalli avviata dalla nucleazione superficiale, ha grandi impatti sul trasferimento interfacciale di massa, calore, elettroni e luce. Causa un profondo calo delle prestazioni in numerosi processi industriali, come trasferimento di calore compromesso negli scambiatori di calore e nelle caldaie, aumento della caduta di pressione nei tubi, blocco del flusso nelle membrane di filtrazione, danni da corrosione delle turbine a vapore, diminuzione della conduttività e dell'attività degli elettrodi, guasto prematuro del riscaldamento e componenti elettrochimici ecc.1,2,3,4, che comportano costi operativi e rischi per la sicurezza più elevati. È stato riferito che le perdite economiche dovute alle incrostazioni minerali nelle caldaie, nelle turbine e negli scambiatori di calore rappresentano lo 0,17–0,25% del prodotto interno lordo (PIL) nei paesi industrializzati5. Comprendere il comportamento delle incrostazioni minerali è importante per lo sviluppo di materiali e tecnologie di prossima generazione che affrontino queste sfide critiche.

La formazione di incrostazioni può avvenire attraverso la deposizione di cristalli minerali formati nella soluzione sfusa, nonché attraverso la nucleazione eterogenea indotta dalla superficie con cristalli che crescono dai siti di nucleazione su una superficie6. Entrambi i processi sono fortemente influenzati dalle proprietà superficiali del materiale. Similmente alla deposizione di altre particelle, le proprietà dei materiali influenzano l'attaccamento dei cristalli minerali attraverso interazioni idrofobiche ed elettrostatiche. La nucleazione eterogenea indotta dalla superficie è un processo termodinamicamente più favorevole, ma è poco compreso perché avviene su scale temporali e di lunghezza molto piccole7. Pochi studi precedenti hanno studiato le diverse proprietà superficiali che influenzano la nucleazione eterogenea indotta dalla superficie: rugosità, carica e idrofobicità6. La rugosità superficiale è direttamente correlata al numero di siti di nucleazione; è generalmente riconosciuto che la cristallizzazione minerale aumenta con la rugosità superficiale. Tuttavia, i risultati sull’impatto della carica e dell’idrofobicità superficiale sono stati incoerenti. Ad esempio, alcuni studi hanno scoperto che la carica superficiale influenzava la nucleazione eterogenea attraverso interazioni elettrostatiche o reazioni di complessazione con gli ioni minerali2,8, mentre altri hanno riportato tassi di nucleazione simili su superfici con cariche diverse9. Sono stati riportati risultati contraddittori anche sul ruolo dell’idrofobicità superficiale nell’incrostazione dei minerali. In alcuni studi10,11,12 è stato dimostrato che i rivestimenti idrofili come l'ossido di grafene (GO), i polimeri ad innesto e il polietilenglicole ritardano l'insorgenza del ridimensionamento del CaCO3, mentre altri studi hanno dimostrato che le superfici idrofile promuovevano la nucleazione del CaCO38 e il GO non aveva proprietà anti -effetto scala13. Una possibile ragione di tale apparente contraddizione è che la modifica di una proprietà superficiale (ad esempio, idrofobicità o carica) spesso porta a inevitabili cambiamenti in altre proprietà superficiali, il che rende difficile discernere il ruolo di una singola proprietà superficiale per lo sviluppo di proprietà anti-incrostazioni. materiali.