Yeni keşfedilen mekanizma, nanomühendislik ürünü yüzeylerden tuz kristallerinin sıçraması, tatlı ve tuzlu sularda mineral birikimine dirençli endüstriyel malzemelerin geliştirilmesine yol açabilir. – Samantha McGelin
Su, insanların günlük yaşamlarında ve endüstride hayati önem taşır. Elektrik santrallerinde tatlı su, bir buhar türbininin dönmesiyle termal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek için sıklıkla kullanılır. İklim değişikliğinin tatlı su tedarikine yönelik artan tehditleriyle birlikte, gezegenin sınırlı su kaynaklarını korumak son derece önemlidir. Dünyadaki toplam suyun yalnızca %1’i sıvı tatlı su olarak bilinir ve kalan %2’si buzullar ve kar tepeleri gibi katı kütleli tatlı su olarak bilinir. Geriye kalan %97’si deniz ve okyanuslarda bulunan tuzlu sudur.
Endüstriyel işlemlerde tuzlu sudan yararlanmak, tatlı suya olan talebi önemli ölçüde azaltabilir. Ancak tatlı suyun yerine tuzlu su kullanmak kolay bir çözüm değildir. Yüzeylerde çözünmüş minerallerin birikme eğiliminde olan tatlı ve tuzlu sular vardır.
Bir duş ve lavabodaki sabun köpüğü buna bir örnektir. Özellikle buharlaşma veya kaynatma gibi faz değişimlerini içeren endüstriyel işlemlerde, mineral birikimi daha da önemlidir. Daha fazla mineral içeren tuzlu su kullanılırsa durum daha da kötüleşecektir.
Mevcut kaplamaların aksine, kendi kendini temizleyen malzemeler sistemdeki verimsizlikleri önemli ölçüde azaltabilir. Yüzey dokuları nanomühendislik için çok önemli olabilir.
MIT Kripa Varanasi araştırma grubundaki araştırmacılar damla buharlaşmasını ve çeşitli yüzeyler üzerindeki etkilerini araştırdılar. Küresel tuz kristalleri yapıları, hidrofobik bir yüzeydeki tuzlu su buharlaştığında oluşur. Yüzeylerdeki sorunlu birikimler bu yapılardan kaynaklanmaktadır. Uygun koşullar altında yapılar yüzeyden uzaklaşır.
Pullarla Kaplı Bir Sorun
Kireçlenme, genellikle kalsiyum veya magnezyum tuzlarının birikmesiyle sonuçlanır. Bu, önemli endüstriyel işlemleri bozabilecek birçok zararlı ve pahalı etkiye sahiptir. Kireçlenme, kazanlarda ve ısı eşanjörlerinde ısı transferini engeller, borularda ve diğer sıvı iletim sistemlerinde akışı engeller ve kimyasal reaktörlerin verimliliğini azaltır.
Mineral kireçlenmesiyle mücadele etmek için mevcut yöntemler genellikle kimyasallar veya manuel temizleme yöntemleridir. Kireç önleyiciler etkili olsa da genellikle zararlıdır ve çevreye yayıldığında yerel ekosistemleri tehlikeye atabilir. Daha sonra mineral birikimini engellemez ve manuel temizlik pahalı ve zaman alıcıdır.
Bu sorunlar, ölçeklemeyi sürdürülebilir ve etkili bir şekilde çözmek için alternatif çözümler gerektirir. Suya ve çözünmüş minerallere maruz kalan yüzeyin malzeme özelliklerini değiştirmek için arayüz mühendisliği kullanılabilir. 10 ila 1000 nm arasında değişen kalınlıklarla, arayüz kaplamalarını koruyan altta yatan endüstriyel malzemelerden çok daha incedir.
Kristal Yaratıklar
Varanasi grubu bu tür arayüz kaplamalarını araştırırken alışılmadık bir davranış fark etti: pullar malzemeden uzağa düşüyordu. Beklendiği gibi buharlaşan damlalardan kristaller oluştu, ancak malzeme 50 °C’nin üzerine ısıtıldığında kristaller kaplamadan kendiliğinden fırladı. Uzun, ince yapılar büyüdü ve tuz kristali yapısını yukarı, yüzeyden uzağa itti. Denizanasına ve diğer canlılara olan benzerlikleri, ürkütücü, gerçekçi büyümelerine ek olarak, yapıları “kristal yaratıklar” olarak adlandırmamıza neden oldu.
Süperhidrofobik malzemelerin kirlenme önleyici amaçlar için başlangıçta iyi çalıştığını ancak doğal su kaynaklarına uzun süre maruz kaldıktan sonra başarısız olduklarını araştırıldı. Süperhidrofobik malzemeler, suyu o kadar güçlü bir şekilde iten malzemelerdir ki, yüzey üzerinde bir su damlası yandan bakıldığında neredeyse tamamen yuvarlak görünür ve temas açısı 150°’nin üzerindedir. Süperhidrofobisite tipik olarak mikron ölçekli bir malzeme dokusundan kaynaklanır ve araştırma bunun kirlenme önleyici eksikliğin nedeni olduğunu buldu. Şekil a’da gösterildiği gibi, yüzey üzerindeki bir su damlası önce buharlaşır ve yayılır ve daha sonra temas açısı azalır. Daha sonra, yüzey dokusunun mikropillarları arasındaki açık alanlarda tuz kristalleri birikir. Yüzeyde kristallerin yayılması hidrofobisitenin azalmasına neden olur.
Mikron ölçekli dokular yerine nano ölçekli dokular, süperhidrofobik malzemeler oluşturmak için kullanılabilir. Tuz kristalleri arayüze yaklaştıkça nanometrik dokular üzerlerinde basınç oluşturmaya başlar. Kristallerin küçük gözenekliliği nedeniyle alt malzemenin içine sığamadıkları için, tüm kristal yapıyı yukarı ve yüzeyden uzağa iterler. Böylece yaratıklar, buharlaşmanın sonunda yuvarlanmadan veya malzemeden düşmeden önce yüzeyden yükselir. Bu, tuzdan arındırılmış bir yüzeye neden olur.
Kristal canlılar üzerine yaptığımız ilk araştırmada saf tuzlu su kullanmış olsak da, okyanus suyu gibi gerçek dünyadaki tuzlu kaynaklar çok çeşitli maddelerden oluşur. Kolloidal parçacıklar, yüzey aktif madde ve kalsiyum tuzları gibi model kirleticilerin eklenmesinin kendi kendine atılma etkisini artırdığını keşfedildi. Başka maddeler mevcut olduğunda, sodyum klorürün çözünürlük sınırı düşer. Bu azalma, kendi kendine atılmayı hızlandırır ve buharlaşma sürecinde kristallerin oluşumunu hızlandırır.
Kristal yaratık fenomeninin ortaya çıkmasıyla, bazı endüstriyel işlemlerde tatlı su yerine tuzlu su kullanılabilir. Sprey soğutması gibi faz değişimi içeren ısı değişimi yöntemlerine uygulanabilir. Bu yöntem, sıcak yüzeylerdeki su damlalarının veya filmlerinin buharlaşmasına dayanarak etkili bir şekilde ısı değişimi gerçekleştirir.
Kaynak:
doi.org/10.1063/pt.ntmp.zjek
doi.org/10.1126/sciadv.abe6960
Derleyen: Atalay Bozdoğan – Akdeniz Üniversitesi Makine Mühendisliği Öğrencisi
