Промислові трубопроводи, якими невтомно циркулює вода або транспортуються хімічні речовини, з часом неминуче покриваються нашаруваннями та відкладеннями на своїх внутрішніх поверхнях. Це не лише сповільнює потік, а й поступово руйнує обладнання, що призводить до неминучої потреби в регулярному обслуговуванні та значно вищих експлуатаційних витрат. Існують численні методи подолання цієї проблеми, включно з пом’якшувачами води, хімічними інгібіторами накипу, що запобігають утворенню мінеральних відкладень, та використанням спеціальних матеріалів для труб або їхньої внутрішньої облицювання. Однак усі ці підходи мають ті чи інші недоліки.
Тепер, дослідники з Університету Райса в Г’юстоні, штат Техас, – одного з провідних дослідницьких центрів Сполучених Штатів, розташованого у місті, що є важливим хабом енергетичної та космічної промисловості – відкрили значно ефективніший розв’язок для запобігання утворенню накипу. Їхній інноваційний підхід полягає у застосуванні покриттів, виготовлених зі штучно вирощених діамантів.
Революція в боротьбі з накипом
Матеріалознавці зазначають, що обраний ними матеріал для покриття може залишатися чистим без постійного втручання. Їхня робота ґрунтується на попередніх дослідженнях, які вже показали, що діамант, крім своєї надзвичайної твердості та хімічної стабільності, також здатен пригнічувати ріст бактерій. Це відкриття має визначальне значення, оскільки діамант – один з найтвердіших відомих матеріалів, що робить його ідеальним для стійких покриттів.
Щоб оцінити цей потенціал, команда спочатку виростила алмазні плівки за допомогою процесу, який називається мікрохвильовим плазмовим хімічним осадженням з газової фази, або MPCVD. Цей метод є найпоширенішим для створення синтетичних діамантів. Ось як це відбувається:
Для формування цих плівкових покриттів гази метану та водню подавали в реакторну камеру, що містила кремнієві пластини, попередньо оброблені наноалмазним розчином. Високопотужне мікрохвильове випромінювання активувало атоми газів до стану гарячої плазми. Це звільняло атоми вуглецю, які осідали на пластинах і з’єднувалися в міцну алмазну структуру протягом кількох годин. Плівку також обробляли різними газами, щоб досягти тонких змін її поверхні та перевірити, як різні модифікації вплинуть на її властивості.
Значущі результати експериментів
Зразки плівки потім занурювали в перенасичений розчин сульфату кальцію на 20 годин при кімнатній температурі. Це дозволило мінеральним відкладенням осісти. Азот-термінована алмазна плівка накопичила у понад десять разів менше накипу, ніж інші версії плівки, терміновані киснем, воднем або фтором. Важливо, що відкладення з’явилися лише у вигляді розсіяних кристалічних скупчень, на відміну від щільних, твердих шарів, які було б складно руйнувати та видаляти.
Коли цей підхід застосували до електродів з домішками бору, накопичення було приблизно в сім разів меншим порівняно з необробленими електродами, що підтверджує широкі можливості цієї технології.
“Ці відкриття визначають плівки з вирощеного з газової фази, економічно ефективного, полікристалічного алмазу як потужний, довговічний матеріал проти накипу з широким потенціалом у сферах опріснення води, енергетичних систем та інших галузях промисловості, де накопичення мінералів є проблемою”, – зазначив Пулікель Аджаян, відомий професор матеріалознавства та наноінженерії в Університеті Райса та один з авторів дослідження, опублікованого в ACS Nano раніше цього місяця.
Професор Аджаян та його команда вже мають досвід у роботі з алмазними плівками. Зокрема, у дослідженні цього року вони показали їхній потенціал у виробництві швидшої та ефективнішої електроніки, а також компонентів для квантових обчислень.
Майбутнє, що сяє діамантами
Відкриття вчених може призвести до застосування алмазних покриттів не лише в промислових трубах. Воно також знайде широке використання в обладнанні для опріснення води, видобутку нафти та газу, а також виробництва електроенергії, забезпечуючи значну економію та підвищуючи ефективність в цих важливих галузях.
