Rezervoari tople vode, mašine za pranje veša, čajnici: kamenac se stvara u svakom kućnom aparatu koji dođe u kontakt sa (toplom) vodom—posebno u oblastima gde je voda tvrda, što znači da ima mnogo kalcijuma. Često jedina stvar koja pomaže je upotreba sirćeta ili specijalnog sredstva za uklanjanje kamenca da bi se rastvorile naslage tvrde kamenje i vratila funkcionalnost uređaja.
Ovo je smetnja u domaćinstvima—i skup problem u termoelektranama, na primer onima koje proizvode električnu energiju, gde je stvaranje kamenca poznato kao obraštanje.
Izmenjivači toplote su posebno skloni kamencu, što u velikoj meri smanjuje efikasnost sistema: sloj kamenca debljine samo jedan milimetar u cevima izmenjivača toplote smanjuje efikasnost proizvodnje električne energije za približno 1,5 odsto. Da bi se nadoknadili ovi gubici, moralo bi se spaliti dodatnih 8,7 miliona metričkih tona kamenog uglja. To je loše za ugljenični otisak i klimu, a skupo je za proizvođače električne energije.
Istraživački tim sa ETH Ciriha i Univerziteta u Kaliforniji, Berkli, sada je pronašao moguće rešenje za ovaj problem: poseban premaz koji odbija kamenac sa mikroskopski malim grebenima koji sprečavaju lepljenje kristala kamenca. Studija tima objavljena je u časopisu Science Advances.
Fundamentalna istraživanja razvoja površina koje odbijaju kamenac su oskudna. Tako su istraživači, predvođeni bivšim profesorom ETH Thomasom Schutziusom, pažljivo pogledali interakcije između pojedinačnih rastućih kristala kamenca, okolnog toka vode i površine na mikroskopskom nivou.
Na osnovu toga, Schutziusov doktorant Julian Schmid i drugi članovi tima razvili su nekoliko premaza od različitih mekih materijala i testirali ih u laboratoriji na ETH Cirihu.
Hidrogel sa mikrostrukturom je najefikasniji
Ispostavilo se da je najefikasniji premaz polimerni hidrogel, čija je površina prekrivena sitnim grebenima zahvaljujući mikroteksturiranim kalupima, koje su istraživači proizveli fotolitografijom.
Mikrostruktura hidrogela podseća na prirodne modele kao što su krljušti ajkula, koji takođe imaju rebrastu strukturu za suzbijanje obraštanja na koži ajkula.
U kotlićima ili bojlerima, rešetke obezbeđuju da kristali kamenca imaju manji kontakt sa površinom, što znači da ne mogu da prianjaju i da se tako lakše uklanjaju; voda koja teče preko hidrogela i kroz rebrastu strukturu ih odnosi. Iako premaz ne može u potpunosti da spreči formiranje kristala kamenca, stalno pasivno uklanjanje mikroskopskih kristala sprečava njihovo srastanje i formiranje žilavog sloja.
Prilikom proizvodnje različitih premaza, istraživači su prvenstveno varirali sadržaj polimera. Što je manji sadržaj polimera i veći sadržaj vode, kristali kalcijum karbonata slabije prijanjaju na površinu.
Ispitivanja sa modelnim česticama od polistirena pokazuju da površinske strukture premaza moraju biti manje od čestica koje se talože na njemu. Time se smanjuje kontaktna površina, a time i sila lepljenja. „Vamenili smo površinsku strukturu materijala da bismo postigli najveću efikasnost, a zatim smo sproveli eksperimente kristala sa ovom optimalnom veličinom strukture“, kaže Šmid.
