Учёные впервые зафиксировали движение отдельных кристаллов соли под поверхностью жидкости

Новое исследование лаборатории MIT Device Lab впервые показало «ползание» соли на уровне отдельных кристаллов под мениском жидкости. Автор: Массачусетский технологический институт

«Ползание» соли — это явление, наблюдаемое как в природных, так и в промышленных процессах, при котором кристаллы соли собираются и мигрируют из испаряющихся растворов на поверхности. Как только кристаллы начинают накапливаться, они распространяются за пределы раствора. По словам исследователей, это поведение может как наносить ущерб, так и быть полезным, в зависимости от контекста.

Новое исследование, опубликованное 30 июня в журнале Langmuir, впервые демонстрирует «ползание» соли на уровне отдельных кристаллов под мениском жидкости.

«Эта работа не только объясняет, как начинается «ползание» соли, но и почему и когда это происходит», — говорит Джозеф Фелим Муни, постдок в лаборатории MIT Device Research Laboratory и один из авторов исследования. «Мы надеемся, что этот уровень понимания поможет другим, будь то борьба с нехваткой воды, сохранение древних фресок или проектирование более долговечной инфраструктуры».

Исследование впервые напрямую визуализировало, как кристаллы соли растут и взаимодействуют с поверхностями под мениском жидкости. Это явление теоретически обсуждалось десятилетиями, но никогда ранее не было зафиксировано на таком уровне. Полученные данные могут оказать влияние на множество областей — от добычи полезных ископаемых и опреснения воды до создания антиобрастающих покрытий, разработки мембран для разделения веществ и даже реставрации произведений искусства, где солевые повреждения представляют серьёзную угрозу для культурного наследия.

Например, в гражданском строительстве исследование помогает объяснить, почему и когда кристаллы соли начинают расти на таких поверхностях, как бетон, камень или строительные материалы. «Эти кристаллы могут оказывать давление и вызывать растрескивание или отслаивание, снижая долговечность конструкций», — говорит Муни. «Определив момент, когда соль начинает «ползать», инженеры смогут лучше проектировать защитные покрытия или дренажные системы, чтобы предотвратить этот вид деградации».

В области реставрации произведений искусства, где соль может нанести непоправимый ущерб фрескам, настенным росписям и древним артефактам (часто формируясь под поверхностью до появления видимых повреждений), работа поможет выявить точные условия, при которых соль начинает двигаться и распространяться. Это позволит реставраторам действовать раньше и точнее для защиты объектов культурного наследия.

Исследование началось во время стипендии Марии Кюри Муни в MIT. «Я сосредоточился на улучшении систем опреснения и быстро столкнулся с проблемой накопления соли», — говорит он. «Соль была повсюду: покрывала поверхности, забивала пути потока и снижала эффективность наших конструкций. Я понял, что мы не до конца понимаем, как и почему соль начинает «ползать» по поверхностям».

Используя рентгеновскую микроскопию in situ, исследователи наблюдали «ползание» соли на уровне отдельных кристаллов. Автор: Массачусетский технологический институт

Новое исследование может позволить лучше контролировать процессы кристаллизации, необходимые для удаления соли из воды в системах с нулевым сбросом жидкости. Оно также объясняет, как и когда происходит образование накипи на поверхностях оборудования, и может поддержать новые климатические технологии, зависящие от умного управления испарением и кристаллизацией.

Работа также важна для добычи минералов и соли, где «ползание» соли может быть как проблемой, так и возможностью. «Понимая точную физику образования соли на поверхностях, операторы могут оптимизировать рост кристаллов, улучшая показатели извлечения и сокращая потери материала», — говорит Муни.

Среди соавторов исследования — коллеги Муни из MIT Device Lab: Омер Рефет Кайлан, Башир Эль Филь (ныне доцент Технологического института Джорджии) и Ленан Чжан (ныне доцент Корнеллского университета), а также Джефф Панч и Ванесса Иган из Университета Лимерика и Цзиньтун Гао из Корнелла.

Исследование проводилось с использованием рентгеновской микроскопии in situ. Муни говорит, что ключевым моментом стало наблюдение за тем, как отдельный кристалл соли закрепляется на поверхности, запуская цепную реакцию роста.

«Люди предполагали, что это возможно, но мы впервые зафиксировали это на рентгене. Это было похоже на наблюдение за микроскопическим моментом, когда всё меняется — точкой воспламенения самоподдерживающегося процесса», — говорит Муни.

«Ещё более удивительным было то, что произошло дальше: кристалл соли не просто пассивно рос, заполняя доступное пространство. Он пробивался через границу жидкости и воздуха, изменяя сам мениск и создавая идеальные условия для следующего кристалла. Этот тонкий, рекурсивный механизм никогда ранее не был визуально задокументирован — и наблюдение за ним в реальном времени полностью изменило наше представление о кристаллизации соли».

Больше информации: Joseph P. Mooney et al, In Situ X-ray Microscopy Unraveling the Onset of Salt Creeping at a Single-Crystal Level, Langmuir (2025). DOI: 10.1021/acs.langmuir.5c01460

Источник: Massachusetts Institute of Technology