On estime qu'environ un quart de pour cent de l'ensemble du produit intérieur brut des pays industrialisés est perdu à cause d'un seul problème technique :l'encrassement des surfaces des échangeurs de chaleur par les sels et autres minéraux dissous. Cet encrassement réduit l'efficacité de multiples processus industriels et nécessite souvent des contre-mesures coûteuses telles que le prétraitement de l'eau. Maintenant, les découvertes du MIT pourraient conduire à une nouvelle façon de réduire un tel encrassement, et potentiellement même permettre de transformer ce processus délétère en un processus productif pouvant produire des produits vendables.

Les résultats sont le résultat d'années de travail des récents diplômés du MIT, Samantha McBride Ph.D. '20 et Henri-Louis Girard Ph.D. '20 avec le professeur de génie mécanique Kripa Varanasi. L'oeuvre, rapporté dans le journal Avancées scientifiques , montre qu'en raison d'une combinaison de surfaces hydrophobes (qui repoussent l'eau) et de chaleur, les sels dissous peuvent cristalliser de manière à les éliminer facilement de la surface, dans certains cas par gravité seule.

Lorsque les chercheurs ont commencé à étudier la façon dont les sels cristallisent sur de telles surfaces, ils ont découvert que le sel précipitant formerait initialement une coquille sphérique partielle autour d'une gouttelette. De façon inattendue, cette coquille s'élèverait alors soudainement sur un ensemble d'extensions grêles en forme de pattes développées pendant l'évaporation. Le processus a produit à plusieurs reprises des formes à plusieurs pattes, ressemblant à des éléphants et d'autres animaux, et même des droïdes de science-fiction. Les chercheurs ont surnommé ces formations « créatures de cristal » dans le titre de leur article.

Après de nombreuses expériences et une analyse détaillée, l'équipe a déterminé le mécanisme qui produisait ces saillies en forme de jambe. Ils ont également montré comment les protubérances variaient en fonction de la température et de la nature de la surface hydrophobe, qui a été produit en créant un motif à l'échelle nanométrique de crêtes basses. Ils ont découvert que les pattes étroites qui soutiennent ces formes ressemblant à des créatures continuent de croître vers le haut à partir du bas, à mesure que l'eau salée s'écoule vers le bas à travers les jambes semblables à de la paille et se précipite au fond, un peu comme un glaçon qui pousse, seulement en équilibre sur son extrémité. Finalement, les jambes deviennent si longues qu'elles sont incapables de supporter le poids de la créature, et la goutte de cristal de sel se brise et tombe ou est emportée.

Le travail a été motivé par la volonté de limiter ou d'empêcher la formation d'entartrage sur les surfaces, y compris à l'intérieur des tuyaux où un tel entartrage peut conduire à des blocages, dit Varanasi. "L'expérience de Samantha a montré cet effet intéressant où l'échelle apparaît à peu près d'elle-même, " il dit.

"Ces jambes sont des tubes creux, et le liquide est canalisé à travers ces tubes. Une fois qu'il atteint le fond et s'évapore, il forme de nouveaux cristaux qui augmentent continuellement la longueur du tube, " dit McBride. " En fin de compte, vous avez très, contact très limité entre le substrat et le cristal, au point que ceux-ci vont tout simplement disparaître d'eux-mêmes."

McBride rappelle qu'en réalisant les premières expériences dans le cadre de son travail de thèse de doctorat, « nous avons certainement soupçonné que cette surface particulière fonctionnerait bien pour éliminer l'adhérence du chlorure de sodium, mais nous ne savions pas qu'une conséquence de l'empêchement de cette adhérence serait l'éjection de la chose entière" de la surface.

Une clé, elle a trouvé, était l'échelle exacte des motifs sur la surface. Alors que de nombreuses échelles de longueur différentes de motifs peuvent produire des surfaces hydrophobes, seuls les motifs à l'échelle nanométrique permettent d'obtenir cet effet d'auto-éjection. "Quand vous faites évaporer une goutte d'eau salée sur une surface superhydrophobe, généralement, ce qui se passe, c'est que ces cristaux commencent à pénétrer à l'intérieur de la texture et forment simplement un globe, et ils ne finissent pas par décoller, " dit McBride. " C'est donc quelque chose de très spécifique à propos de la texture et de l'échelle de longueur que nous examinons ici qui permet à cet effet de se produire. "

Ce processus d'auto-éjection, basé simplement sur l'évaporation d'une surface dont la texture peut être facilement produite par gravure, abrasion, ou revêtement, pourrait être une aubaine pour une grande variété de processus. Toutes sortes de structures métalliques en milieu marin ou exposées à l'eau de mer souffrent d'entartrage et de corrosion. Les résultats peuvent également permettre de nouvelles méthodes pour étudier les mécanismes de l'entartrage et de la corrosion, disent les chercheurs.

En faisant varier la quantité de chaleur le long de la surface, il est même possible de faire rouler les formations cristallines dans une direction spécifique, les chercheurs ont trouvé. Plus la température est élevée, plus la croissance et le décollage de ces formes sont rapides, minimiser le temps pendant lequel les cristaux bloquent la surface.

Les échangeurs de chaleur sont utilisés dans une grande variété de procédés différents, et leur efficacité est fortement affectée par tout encrassement de surface. Ces pertes seules, Varanasi dit, équivaut à un quart de pour cent du PIB des États-Unis et des autres pays industrialisés. Mais l'encrassement est également un facteur majeur dans de nombreux autres domaines. Il affecte les tuyaux dans les systèmes de distribution d'eau, puits géothermiques, milieux agricoles, usines de dessalement, et une variété de systèmes d'énergie renouvelable et de méthodes de conversion du dioxyde de carbone.

Cette méthode, Varanasi dit, pourrait même permettre l'utilisation d'eau salée non traitée dans certains processus où cela ne serait pas pratique autrement, comme dans certains systèmes de refroidissement industriels. Plus loin, dans certaines situations, les sels et autres minéraux récupérés pourraient être des produits commercialisables.

Alors que les premières expériences ont été faites avec du chlorure de sodium ordinaire, d'autres types de sels ou de minéraux devraient produire des effets similaires, et les chercheurs continuent d'explorer l'extension de ce processus à d'autres types de solutions.

Parce que les méthodes de fabrication des textures pour produire une surface hydrophobe sont déjà bien développées, Varanasi dit, la mise en œuvre de ce procédé à grande échelle industrielle doit être relativement rapide, et pourrait permettre l'utilisation d'eau salée ou saumâtre pour les systèmes de refroidissement qui nécessiteraient autrement l'utilisation d'eau douce précieuse et souvent limitée. Par exemple, aux États-Unis seulement, un billion de gallons d'eau douce sont utilisés chaque année pour le refroidissement. Une centrale électrique typique de 600 mégawatts consomme environ un milliard de gallons d'eau par an, ce qui pourrait suffire à servir 100, 000 personnes. Cela signifie que l'utilisation de l'eau de mer pour le refroidissement dans la mesure du possible pourrait aider à atténuer un problème de pénurie d'eau douce.