界面相互作用對于各種化工過程來說非?；A(chǔ)且重要，例如吸附、催化反應(yīng)、腐蝕、過濾和水垢形成。
其中，水垢的形成對物質(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)垢的具體過程對于開發(fā)新一代抗結(jié)垢材料和技術(shù)至關(guān)重要。
▲圖 | 左魁昌（來源：左魁昌）
過去的研究表明，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，沒有人研究過石墨烯的表面結(jié)垢行為。此外，盡管二維材料具有原子級光滑的共同特征，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光滑表面上的礦垢形成。
▲圖 | 相關(guān)論文（來源：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。
簡單來說，這項(xiàng)工作是對無機(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。左魁昌說：“原子級別光滑的平整度，是六方氮化硼抗污染的重要原因。”
▲圖 | 石墨烯和六方氮化硼的結(jié)垢行為實(shí)驗(yàn)表明，六方氮化硼具有比石墨烯和銅具有更強(qiáng)的抗結(jié)垢性能（來源：Nature Communications）
材料表面礦物垢的形成對自然過程和工業(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 | 原子級光滑表面導(dǎo)致低結(jié)垢力（來源：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：“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)晶過程很難通過實(shí)驗(yàn)被觀察到，從離子到離子團(tuán)簇的過程非?？?，難以捕捉。
針對這一問題，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)行測試，通過質(zhì)量的變化，間接地理解結(jié)垢表面的變化。
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▲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（來源：Nature Communications）
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