Unabhängig davon, ob Wasser, Kraftstoff oder Chemikalien transportiert werden, sammeln sich im Laufe der Zeit mineralische Ablagerungen an den Innenwänden von Industrierohrleitungen an, was dazu führt, dass der Durchfluss abnimmt, der Geräteverschleiß zunimmt und Unternehmen gezwungen sind, regelmäßig wegen Reinigungs- und Wartungsarbeiten zu schließen, was zu höheren Betriebskosten führt. Zu den gängigen Gegenmaßnahmen gehören derzeit die Wasserenthärtung, die Zugabe chemischer Antikalkmittel, der Einsatz spezieller Rohre oder Auskleidungen usw. Allerdings haben diese Methoden ihre eigenen Grenzen und es ist schwierig, Wirksamkeit, Kosten und Umweltschutz gleichzeitig zu berücksichtigen.
Ein Materialwissenschaftsteam am Campus der Rice University in Houston schlug vor, dass die Verwendung eines im Labor gezüchteten Diamantfilms als Beschichtung auf der Innenwand von Rohren die Ablagerungen erheblich verhindern und die Oberfläche ohne häufige manuelle Eingriffe sauber halten kann. Diese Idee führt die Entdeckung früherer Forschungen fort, dass „Diamant nicht nur extrem hart und chemisch stabil ist, sondern auch das Wachstum von Bakterien hemmen kann“ und bietet eine theoretische Grundlage für seine technische Anwendung unter rauen Arbeitsbedingungen.
Zur Herstellung von Diamantfilmen nutzten die Forscher das Mikrowellenplasma-Chemical-Vapour-Deposition-Verfahren (MPCVD), das derzeit eine der am häufigsten verwendeten Methoden für synthetische Diamanten ist. Im Experiment wurden Methan und Wasserstoff in die Reaktionskammer eingespeist und ein mit einer Nanodiamantlösung vorgesponnener Siliziumwafer in die Kammer gelegt. Hochleistungsmikrowellen regten das Gas zu einem Hochtemperaturplasma an, und die freigesetzten Kohlenstoffatome lagerten sich ab und ordneten sich innerhalb weniger Stunden zu einer Diamantstruktur neu an, um einen kontinuierlichen Film zu bilden. Anschließend verwendete das Team verschiedene Gase, um die Oberfläche der Folie zu „terminalisieren“, um verschiedene Oberflächengruppen wie Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Fluor zu tragen, um ihre Antifouling-Eigenschaften zu vergleichen.
In einer Leistungsbewertung tauchten die Forscher diese Diamantfilmproben in eine übersättigte Calciumsulfatlösung und ließen sie 20 Stunden lang bei Raumtemperatur stehen, damit sich Mineralablagerungen auf natürliche Weise absetzen konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass das Ausmaß der Ablagerungen in Diamantfilmen mit Stickstoff-Endgruppen um mehr als eine Größenordnung geringer ist als bei anderen Typen (Sauerstoff-, Wasserstoff-, Fluor-Endgruppen) und dass die Mineralien nur sporadisch zu Kristallclustern aggregieren, anstatt eine dichte Deckschicht zu bilden, die schwer zu entfernen ist. Wenn die gleiche Behandlung auf eine mit Bor dotierte Diamantelektrode angewendet wurde, war das Ausmaß der Oberflächenverschmutzung etwa siebenmal geringer als bei der unbehandelten Elektrode, was das Potenzial dieses Prozesses in elektrochemischen Geräten weiter bestätigt.
Pulickel Ajayan, Autor des Papiers und Professor am Department of Materials Science and Nanoengineering der Rice University, sagte, dass dieses Ergebnis zeige, dass durch Dampfphasenwachstum erhaltene, kostenkontrollierbare polykristalline Diamantfilme zu einem haltbaren und ablagerungshemmenden Material werden können, das für die Meerwasserentsalzung, Energiesysteme und andere Bereiche geeignet sei, die von mineralischer Ablagerung betroffen seien. Die Ajayan-Forschungsgruppe hat zuvor weiterhin an Diamant-Dünnfilmen geforscht und Anfang dieses Jahres deren Anwendungspotenzial bei der Herstellung schnellerer und effizienterer elektronischer Geräte und Quantencomputerkomponenten demonstriert und damit eine Prozessgrundlage für die Multi-Szenario-Entwicklung von Diamant-Dünnfilmen gelegt. In Zukunft soll diese Art der Diamantbeschichtung nicht nur auf den Innenwänden von Industriepipelines zum Einsatz kommen, sondern möglicherweise auch auf wichtige Infrastrukturen wie Meerwasserentsalzungsanlagen, Öl- und Gasförderanlagen sowie Kraftwerke ausgeweitet werden, um den Energieverbrauch und die Wartungskosten zu senken, die durch Ablagerungen an der Quelle entstehen.