工业管道中的矿物质沉积，就像家用水壶里的水垢，但规模更大、危害更高。所谓“结垢”会阻碍水流，增加设备负担，导致能源消耗上升，并显著推高维护成本。莱斯大学工程师最新研究显示，一种实验室培育的钻石涂层或许能从根本上解决这一问题，为常见的化学清剂和机械清洗提供更持久且更环保的替代方案。
材料科学与纳米工程系助理教授张翔（与博士后研究员朱怡凡为论文共同第一作者）表示：“传统方法通常只是暂时缓解结垢问题，而且存在环境或操作上的缺陷。我们希望找到一种能够自然抗垢、保持表面洁净的材料。”
钻石因其极高硬度、化学稳定性和耐高温特性而著称，非常适合在严苛的工业条件下使用。以往研究已经提示钻石表面可抑制细菌附着，而其防止矿物质沉积的潜力直到最近才被系统地验证。
研究团队使用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术生长钻石薄膜。简单来说，甲烷与氢气被注入腔室，微波辐射将其转化为高能等离子体，使分子分解成碳原子，这些原子最终沉积在硅片上形成多晶钻石结构。研究人员随后通过表面后处理微调钻石薄膜的化学性质，并观察这些变化是否会影响结垢的初始生成。
多种处理方式中，“氮端金刚石”表现最为突出：其结垢量比氧端、氢端或氟端处理的样品减少了一个数量级以上。显微镜图像显示，其表面仅有少量分散晶粒，而其他类型的钻石表面则形成了密集堆积层。
分子模拟结果揭示了其中原因。氮元素使钻石表面更易吸附一层致密的水膜，从而形成一道天然屏障，使矿物离子难以附着，阻断了结垢形成的第一步。
研究团队还将同样的化学策略应用到电化学系统中常用的掺硼钻石电极上。结果显示，这些电极的结垢量仅为对照组的约七分之一，同时并未影响其电化学性能。
显微成像、化学分析以及附着力测量等多项技术的结合，使研究人员不仅能够量化结垢的形成，还能评估其在表面的粘附强度。张翔指出：“过去，受限于高质量钻石薄膜的高成本以及缺乏稳定的表面处理技术，这类系统性研究难以开展。如今这些技术逐渐成熟，为我们提供了前所未有的研究条件。”
材料科学与纳米工程学院教授普利克尔·阿贾扬表示：“研究结果强烈表明，采用气相生长法制备的多晶钻石薄膜，成本可控、性能稳定，是一种极具前景的抗结垢材料，可广泛应用于海水淡化、能源生产及其他易形成矿物沉积的行业。”
Karl F. Hasselmann 材料科学与纳米工程教授楼俊补充道：“这种涂层具有可扩展性，沉积工艺灵活，因此非常适合工业化应用。”
该研究由多家机构资助，包括美国国家科学基金会、威尔士基金会、圣保罗研究基金会、圣保罗州立大学、巴西国家科学技术发展委员会以及巴西高级石油公司。研究内容由团队独立负责，不代表资助机构的官方立场。
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