界面相互作用對(duì)于各種化工過(guò)程來(lái)說(shuō)非常基礎(chǔ)且重要，例如吸附、催化反應(yīng)、腐蝕、過(guò)濾和水垢形成。

其中，水垢的形成對(duì)物質(zhì)、熱量、電子和光的界面?zhèn)鬟f有很大影響，并在許多工業(yè)過(guò)程中造成了嚴(yán)重的性能下降，如熱交換器和鍋爐中的傳熱受損、管道中的壓力增加、過(guò)濾膜中的流動(dòng)堵塞、蒸汽輪機(jī)的腐蝕損壞、電極的導(dǎo)電性和活性下降、加熱和電化學(xué)組件的過(guò)早失效等，從而導(dǎo)致了更高的運(yùn)行成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此，解析礦物結(jié)垢的具體過(guò)程對(duì)于開(kāi)發(fā)新一代抗結(jié)垢材料和技術(shù)至關(guān)重要。

過(guò)去的研究表明，材料表面越光滑成核位點(diǎn)越少，越有利于防止表面發(fā)生結(jié)垢。二維材料作為一種具有原子級(jí)光滑性表面的材料，被證明具有良好的抗附著性能。

比如石墨烯，其表面難以發(fā)生金屬和金屬氧化物的附著，水也可以在其表面發(fā)生快速滑動(dòng)，它還具有抗結(jié)冰、抗有機(jī)污染等特性。理論上，這種特性的材料也具有優(yōu)異的抗結(jié)垢特性。

然而，沒(méi)有人研究過(guò)石墨烯的表面結(jié)垢行為。此外，盡管二維材料具有原子級(jí)光滑的共同特征，但其表面化學(xué)性質(zhì)差異很大。

石墨烯由單層碳原子排列的蜂窩狀晶格納米結(jié)構(gòu)組成，具有小的晶格常數(shù)、低的面內(nèi)極性和高的疏水性；六方氮化硼是另一種重要的二維材料，其晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)與石墨烯相似，但其硼氮鍵具有更高的極性，親水性比石墨烯高。目前，我們?nèi)匀徊恢辣砻婊瘜W(xué)性差異如何影響了這些原子級(jí)光滑表面上的礦垢形成。

▲圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications）

近日，北京大學(xué)和萊斯大學(xué)合作在 Nature Communications 上發(fā)表研究論文，題為《六方氮化硼的超抗結(jié)垢能力》（Ultrahigh resistance of hexagonal boron nitride to mineral scale formation）[1]。該工作發(fā)現(xiàn)了迄今為止抗結(jié)垢性能最佳的材料，即二維六方氮化硼。

北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院助理教授左魁昌為該論文的第一作者，美國(guó)萊斯大學(xué)土木與工程系李琪琳教授、材料科學(xué)與納米工程系樓峻教授、普利克爾·阿亞加（Pulickel M. Ajayan）教授和清華大學(xué)材料學(xué)院王煒鵬助理教授為該論文的共同通訊作者，萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程系張祥博士為共同第一作者。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是對(duì)無(wú)機(jī)離子結(jié)垢的深層次理解，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種抗結(jié)垢能力非常強(qiáng)的材料，有望應(yīng)用于極端環(huán)境中的工程管道、汽輪機(jī)葉片等場(chǎng)景，以降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。

研究中采用的抗結(jié)垢材料是一種叫做“六方氮化硼”的二維材料，其特點(diǎn)是厚度薄，在一個(gè)原子或兩個(gè)原子的級(jí)別，這種材料在納米尺度上，表面非常光滑。相反，廣泛使用的基礎(chǔ)材料，例如塑料和金屬，其微觀表面非常粗糙。

那么，光滑的表面有何用處？實(shí)際上，光滑的表面可以防止離子的附著，從而影響晶體的生長(zhǎng)。左魁昌說(shuō)：“原子級(jí)別光滑的平整度，是六方氮化硼抗污染的重要原因。”

（來(lái)源：Nature Communications）

材料表面礦物垢的形成對(duì)自然過(guò)程和工業(yè)應(yīng)用有著廣泛深遠(yuǎn)的影響。然而，具體的材料表面特征如何影響礦物離子與表面的相互作用以及結(jié)垢行為還不是很清楚。在這項(xiàng)工作中，研究者們發(fā)現(xiàn)六方氮化硼具有優(yōu)異的抗結(jié)垢能力，而且能與高度抗垢的石墨烯相媲美。

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示，這種超高的抗垢性歸因于六方氮化硼的原子級(jí)光滑表面、極性硼氮鍵導(dǎo)致的面內(nèi)原子能量波紋，以及其原子間距與水分子大小的緊密匹配。

其中，后兩個(gè)特性導(dǎo)致材料與水產(chǎn)生強(qiáng)烈的極性相互作用，從而形成致密的水化層，進(jìn)而阻礙了礦物離子和晶體向材料表面靠近，并減少了表面異質(zhì)成核和晶體黏附。

▲圖 | 原子級(jí)光滑表面導(dǎo)致低結(jié)垢力（來(lái)源：Nature Communications）

接觸面積歸一化的分離力遵循 Ti（44.9±12.7μN(yùn) μm-2）>PVDF（27.6±3.4μN(yùn) μm-2）>hBN（12.1±4.3μN(yùn) μm-2）≈石墨烯（11.1±6.1μN(yùn) μm-2）的順序，這一規(guī)律與表面粗糙度非常相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，原子光滑的石墨烯和六方氮化硼表現(xiàn)出明顯較低的結(jié)合力。

左魁昌說(shuō)：“其實(shí)是一個(gè)比較偶然的機(jī)會(huì)，我們發(fā)現(xiàn)了二維材料抗結(jié)垢的現(xiàn)象。在這個(gè)工作之前，我們的另一個(gè)工作利用了六方氮化硼的穩(wěn)定性和絕緣性，進(jìn)行了膜蒸餾的相關(guān)研究。在研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)被六方氮化硼修飾的不銹鋼網(wǎng)，即使在非常高濃度的鹽水中，也不會(huì)結(jié)垢。之后，我們開(kāi)始嘗試?yán)斫膺@一現(xiàn)象?！?

他提到，研究中最難的一點(diǎn)是相關(guān)領(lǐng)域的研究非常少，傳統(tǒng)理論通常是在進(jìn)行宏觀的描述，而從微觀角度的理解非常少。其次，微觀的表面結(jié)晶過(guò)程很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)被觀察到，從離子到離子團(tuán)簇的過(guò)程非常快，難以捕捉。

針對(duì)這一問(wèn)題，他們除了采用電子顯微鏡觀察結(jié)垢表面的差異，還采用了石英晶體微天平進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)質(zhì)量的變化，間接地理解結(jié)垢表面的變化。

▲圖 | 六方氮化硼納米涂層降低實(shí)際水環(huán)境中管道的結(jié)垢（來(lái)源：Nature Communications）

該團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積方法，在不銹鋼管道的內(nèi)外表面生長(zhǎng)了六方氮化硼涂層，并通過(guò)測(cè)試德克薩斯州的石油和天然氣生產(chǎn)基地收集的真實(shí)出水，評(píng)估原始和六方氮化硼涂層的不銹鋼管道的水垢形成行為。

實(shí)驗(yàn)表明，未修飾的不銹鋼管在運(yùn)行 7 天后產(chǎn)生了明顯的水垢，在運(yùn)行 14 天后其有效內(nèi)徑減少了~17.2%，這導(dǎo)致水通過(guò)的橫截面積減少了 31.3%。

相比之下，六方氮化硼涂層的不銹鋼管在出口處只發(fā)現(xiàn)了輕微有機(jī)物污染，整個(gè)管子沒(méi)有可以測(cè)量的水垢形成。結(jié)果顯示，在實(shí)際的水和廢水應(yīng)用中，六方氮化硼納米涂層具有良好的防垢潛力。

據(jù)介紹，左魁昌 2016 年博士畢業(yè)于清華大學(xué)，后前往萊斯大學(xué)從事博士后研究。目前，他是北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院助理教授、研究員，研究方向主要是基于膜和電化學(xué)的水處理方法。

他表示，“水處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了很多年，未來(lái)可能要朝著精細(xì)的方向發(fā)展。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，未來(lái)的水處理技術(shù)應(yīng)該不是把水中所有的物質(zhì)都去除，而是僅僅去除目標(biāo)物質(zhì)，因此，開(kāi)發(fā)具有選擇性的水處理技術(shù)是非常重要的。