Dans les tuyaux industriels, les dépôts minéraux s’accumulent comme le tartre s’accumule à l’intérieur d’une bouilloire mais à une échelle bien plus grande et plus coûteuse. L’entartrage minéral est un problème majeur dans les systèmes d’eau et d’énergie, où il ralentit l’écoulement, sollicite l’équipement et augmente les coûts.
Une nouvelle étude d’ingénieurs de l’Université Rice montre que les revêtements en diamant cultivés en laboratoire pourraient résoudre le problème, offrant une alternative aux additifs chimiques et au nettoyage mécanique, qui n’offrent tous deux qu’un soulagement temporaire et présentent des inconvénients environnementaux ou opérationnels.
« En raison de ces limitations, il y a un intérêt croissant pour les matériaux qui peuvent naturellement résister à la formation de tartre sans intervention constante, a déclaré Xiang Zhang, professeur adjoint de recherche en science des matériaux et nanoingénierie et premier auteur de l’étude aux côtés du chercheur postdoctoral de Rice Yifan Zhu. « Notre travail répond à ce besoin urgent en identifiant un matériau de revêtement qui peut ‘rester propre’ par lui-même. »
Le diamant est bien connu pour sa dureté, sa stabilité chimique et sa capacité à résister à des températures élevées ⎯ des qualités qui le rendent déjà utile dans des environnements industriels exigeants. Des études antérieures ont montré que le diamant peut repousser l’encrassement biologique et la croissance bactérienne, mais son potentiel pour réduire l’entartrage minéral n’avait pas été systématiquement examiné.
Les chercheurs ont cultivé des films de diamant par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes, ou MPCVD, une technique qui utilise un gaz pour créer un revêtement solide : des gaz de méthane et d’hydrogène ont été introduits dans une chambre où un rayonnement micro-ondes a énergisé les atomes en un état de plasma chaud. Cela a brisé les molécules de gaz, libérant des atomes de carbone qui se sont déposés sur une plaquette de silicium et se sont liés en la structure compacte du diamant. En appliquant des traitements post-croissance, les chercheurs ont pu adapter la chimie de la surface du diamant pendant sa formation.
Leur objectif était de tester si ces subtils changements de surface affecteraient la manière dont l’entartrage minéral s’installe initialement. Une version ⎯ le diamant à terminaison azotée ⎯ s’est distinguée en termes de performance : il a accumulé plus d’un ordre de grandeur moins de tartre que le diamant traité avec de l’oxygène, de l’hydrogène ou du fluor, et la microscopie n’a montré que des amas de cristaux dispersés là où d’autres surfaces formaient des couches denses.
Des simulations moléculaires ont aidé à expliquer le comportement. L’azote encourage la formation d’une couche étroitement liée de molécules d’eau sur le diamant, créant une barrière qui rend difficile l’attachement des ions minéraux et le début de la formation du tartre.
Les chercheurs ont appliqué la même chimie aux électrodes en diamant dopé au bore utilisées dans les systèmes électrochimiques. Ces électrodes ont collecté environ un septième de tartre en moins sans perte de performance.
Des mesures combinées de microscopie, d’analyse chimique et d’adhésion ont permis de capturer non seulement la quantité de tartre formée mais aussi la force avec laquelle il adhérait. « Une étude aussi complète était auparavant limitée par le coût et la disponibilité de films de diamant de haute qualité ainsi que par des méthodes de traitement de surface fiables, que la technologie n’a rendues possibles que récemment, a ajouté Xiang Zhang.
« Ces résultats identifient les films de diamant polycristallin, cultivés en phase vapeur et rentables, comme un matériau anti-tartre puissant et durable avec un large potentiel dans le dessalement de l’eau, les systèmes énergétiques et d’autres industries où l’accumulation de minéraux est un problème, ont commenté Pulickel Ajayan, le professeur d’ingénierie Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson et professeur de science des matériaux et nanoingénierie.
Jun Lou, le professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et nanoingénierie, a conclu que « le processus de dépôt évolutif et polyvalent du revêtement le rend également très attractif pour divers secteurs industriels. »
Article : Nitrogen-Terminated Diamond Films for Anti-Scaling Coatings – Journal : ACS Nano – DOI : Lien vers l’étude
