你或许看到过这样的现象，在一些有液体流动的表面（如管道），常常覆盖着由矿物晶体构成的污垢。这是因为当含有非挥发性溶质的挥发性溶液在蒸发时，会导致溶质的浓度上升而结晶析出。当这些析出的晶体在一些物质表面上累积，就会造成许多令人头疼的问题——这些问题普遍存在于水处理、热电发电等工业过程中，降低了工业过程的效率，且往往需要支付高昂的价格来应对。
据统计，在一些工业化国家，因换热器表面的盐和其他可溶解矿物所形成的污垢造成的亏损，就占了国内生产总值的四分之一个百分点。不仅如此，污损还会影响到输水系统的管道、地热井、农业设施、海水淡化厂，以及各种可再生能源系统和二氧化碳的转换。
为了减少因为这些污垢造成的损失，越来越多的研究放眼于从材料工程的角度来防止这些污垢的生成。材料的浸润特性一直是探寻如何消除这些污垢的一个主要研究方向。然而，晶体污垢是一个多相问题，除了材料本身之外，晶体和材料之间、晶体和液体之间、液体和材料之间的相互作用，都在污垢的形成方面起到了重要作用。
现在，麻省理工学院的一组研究人员观察到了一种或许有效减少这种污损的新方法。他们发现，在疏水表面和热量的共同作用下，溶解的盐能以一种特殊的方式结晶。结晶形成的固体能很容易从表面去除，在有的情况下，甚至仅靠重力的作用就能让这些结晶轻松脱落。
研究人员将这一发现发表在了4月28日的《科学进展》杂志上。
在新研究中，当实验人员观察了含有饱和氯化钠（NaCl，食盐的主要成分）的溶液在一个疏水表面的蒸发。发现随着液体的蒸发，盐随之沉淀，并在液滴周围形成一个类似球形的三维晶体结构。
这时，他们观察到了一个出人意料的现象，随着蒸发过程的继续，这种类球形的壳会突然长出一组细长的“腿”。这一过程会反复发生，产生许多的腿状结构，使得整个结构看起来像是某种有腿的生物。研究人员也因此在论文中将这种结构称为“晶体生物”。
晶体生物具有很多种不同的的形状，比如研究人员就将图中所示的三种形状从左到右依次称为螃蟹、大象和机器人。| 图片来源：MIT
经过多次实验和分析，研究人员确定了产生这些腿状突起的自喷射机制。
这些腿是空心的管，溶液能通过这些中空的管道向下流动。一旦到达底部，液体蒸发，就会形成新的晶体，使得管的长度不断增加。最终，表面和晶体之间的接触变得非常有限，过长的腿会无法支撑腿上的重量，因此晶体很容易被移除，甚至偶尔晶体会自行滚动并脱落。
此外，他们还观察到这些突起物会根据温度的变化和疏水表面的性质的不同而改变。
在实验过程中，当疏水表面的温度低于50°C时，研究人员并没有观察到晶体生物的形成。当表面温度高于50°C时，晶体生物的生长开始变得更加明显。随着温度的升高，蒸发的时间会随之减少，并且开始“长腿”之前的时间与腿的生长时间之比也随温度的升高而减小。
因此在温度更高的疏水表面上形成的晶体生物，往往比温度更低的表面上形成的晶体生物更早长出腿，且在更高温度的表面上最终形成的腿的长度也更大。也就是说，温度越高，晶体生物就生长和脱离得越快，减少了表面被阻塞的时间。而且研究人员还发现，通过改变表面的温度，甚至有可能使晶体结构朝着特定的方向滚动。
在研究中，他们还分析了表面纹路对生物晶体生长的影响。发现虽然许多不同长度尺度的纹路都能形成具有疏水性的表面，但只有具有纳米尺度的纹路的疏水表面，才能产生这种自喷射效应。当一滴盐水在超疏水表面蒸发时，通常会发生的情况是，这些晶体开始进入结构内部，形成一个球体，并最终遗留在那里，并不会长出细长的腿。因此，表面的质地和纹路对自喷射效应至关重要。
这项研究不仅给我们展示了一个有趣的现象，还具有极大的实际意义。
它可以扩大未经处理的盐水在工业过程中的使用范围，比如在一些工业冷却过程中，可以直接使用含盐或微咸的水来冷却系统，以帮助缓解淡水短缺的问题。据介绍，仅在美国，每年就有1万亿加仑的淡水被用于冷却，这是一个很大的数字，要知道一个典型的600兆瓦的发电厂每年消耗的水量约为10亿加仑，这足供10万人次使用。
它还可以减轻工业过程中的各种矿物污染。各种金属在海洋环境中或暴露在海水中都会发生结垢和腐蚀。新的发现或许能为研究结垢和腐蚀的机制提供新方法。
另外，在某些情况下，新发现的机制还可能带来额外的经济效益。回收的盐和其他矿物可以成为可销售的产品。虽然最初的实验是用普通的氯化钠完成的，但据预计，其他种类的盐或矿物质也能产生类似的效果。现在，研究人员正计划将这一过程扩展到其他种类的溶液上。
#创作团队：
编译：小雨
#参考来源：
https://news.mit.edu/2021/salt-metal-surfaces-0428
https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabe6960
#图片来源：
封面图：Courtesy of Kripa Varanasi, Samantha McBride and Henri-Louis Girard, et al
