Gli ingegneri della Rice University hanno dimostrato che le rivestimenti di diamanti prodotti in laboratorio possono fermare l’accumulo di minerali nei tubi.
Un nuovo studio condotto dagli ingegneri della Rice University dimostra che le pellicole di diamantati prodotte in laboratorio potrebbero risolvere il problema dell’accumulo di minerali nei tubi, offrendo un’alternativa agli additivi chimici e alla pulizia meccanica, che comportano svantaggi ambientali e operativi. Nelle tubazioni industriali infatti i depositi minerali si accumulano come il calcare all’interno di un bollitore, solo che su una scala molto più grande e costosa. Le incrostazioni minerali rappresentano un problema importante nei sistemi idrici ed energetici, dove rallentano il flusso, affaticano le apparecchiature e aumentano i costi.
“A causa di queste limitazioni, c’è un crescente interesse per materiali in grado di resistere naturalmente alla formazione di incrostazioni senza interventi costanti. Il nostro lavoro risponde a questa urgente esigenza identificando un materiale di rivestimento in grado di ‘rimanere pulito’ da solo” afferma Xiang Zhang, professore associato di ricerca in scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice University e primo autore dello studio insieme al ricercatore post-dottorato Yifan Zhu.
Il diamante è noto per la sua durezza, stabilità chimica e capacità di resistere alle alte temperature, qualità che lo rendono già utile in ambienti industriali impegnativi. Studi precedenti avevano dimostrato che il diamante può contrastare l’incrostazione biologica e la crescita batterica, ma il suo potenziale di ridurre le incrostazioni minerali non era stato esaminato sistematicamente.
Pellicole di diamante mediante deposizione chimica da vapore
Gli ingegneri della Rice University hanno prodotto pellicole di diamante mediante deposizione chimica da vapore con plasma a microonde, o MPCVD, una tecnica che utilizza il gas per creare un rivestimento solido: metano e idrogeno gassosi sono stati immessi in una camera dove la radiazione a microonde ha energizzato gli atomi fino a raggiungere uno stato di plasma caldo. Questo ha frammentato le molecole di gas, liberando atomi di carbonio che si sono depositati su un wafer di silicio e si sono legati alla struttura compatta del diamante. Applicando trattamenti post-crescita, i ricercatori hanno potuto personalizzare la chimica della superficie del diamante durante la sua formazione.
L’obiettivo dei ricercatori della Rice University era verificare se questi sottili cambiamenti superficiali avrebbero influenzato il modo in cui le incrostazioni minerali si sono inizialmente formate. Una versione, il diamante con terminazioni azotate, si è distinta in termini di prestazioni: ha accumulato più di un ordine di grandezza in meno di incrostazioni rispetto al diamante trattato con ossigeno, idrogeno o fluoro, e la microscopia ha mostrato solo cluster di cristalli sparsi dove altre superfici formavano strati densi.
Le simulazioni molecolari hanno contribuito a spiegare il comportamento. L’azoto favorisce la formazione di uno strato di molecole d’acqua strettamente legate sul diamante, creando una barriera che ostacola l’adesione degli ioni minerali e l’inizio della formazione di calcare.
I ricercatori hanno applicato la stessa chimica agli elettrodi di diamante ottimizzato con boro utilizzati nei sistemi elettrochimici. Questi elettrodi hanno raccolto circa un settimo della quantità di calcare senza compromettere le prestazioni.
La combinazione di microscopia, analisi chimica e misurazioni dell’adesione ha permesso di rilevare non solo la quantità di calcare formata, ma anche la sua forza di adesione. “Uno studio così completo era in precedenza limitato dal costo e dalla disponibilità di pellicole di diamante di alta qualità e da metodi di trattamento superficiale affidabili, resi possibili solo di recente dalla tecnologia” sottolinea Zhang.
“Questi risultati identificano i film di diamante policristallino, ottenuti tramite vaporizzazione, economicamente vantaggiosi, come un materiale anti-incrostazione potente e duraturo, con un ampio potenziale per la desalinizzazione dell’acqua, i sistemi energetici e altri settori in cui l’accumulo di minerali rappresenta un problema” afferma Pulickel Ajayan, Professore di Ingegneria Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson e Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria.
Jun Lou, Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria Karl F. Hasselmann, commenta che “il processo di deposizione scalabile e versatile del rivestimento lo rende inoltre molto interessante per diversi settori industriali“.
Foto: Jeff Fitlow/Rice University
