火力發電廠因使用熱水而產生的水垢積聚會嚴重影響效率，這促使研究人員開發出一種新型軟水凝膠表面涂層，它能排斥水垢晶體并防止其附著。水垢主要由碳酸鈣組成，在家庭周圍、水壺、水箱和洗衣機內部都能看到水垢堆積，尤其是在水質較硬（即礦物質含量較高）的地區，以及表面接觸熱水時。

水垢積聚在家中固然令人煩惱，但對火力發電廠的影響更大。這些發電廠使用鍋爐加熱水，產生高壓蒸汽，驅動渦輪機產生機械能，再由發電機轉換成電能。工業熱交換器和膜很容易結垢，由于熱傳導和流動性能效率降低，每年造成的能源損失巨大，至少占全球能源總產量的 2%。

為了解決這個問題，瑞士蘇黎世聯邦理工學院和美國加州大學伯克利分校的研究人員合作開發了一種創新的水凝膠表面涂層，可以驅除水垢并防止其附著。

研究人員首先在顯微鏡下觀察了單個水垢晶體和周圍的水流，以了解晶體如何在動態水環境中沉積和附著。然后，他們著手用軟材料開發了幾種涂層，并在實驗室中進行了測試。

測試對象聚苯乙烯珠在凹槽表面上。（攝影：朱利安·施密德 / 蘇黎世聯邦理工學院)

研究人員用來測試石灰晶體如何粘附到不同表面的測試裝置。（攝影：朱利安·施密德 / 蘇黎世聯邦理工學院）

電鏡下凹槽表面僅有幾微米大小的石灰晶體。（照片：朱利安·施密德/蘇黎世聯邦理工學院）

研究人員主要對不同的聚合物含量進行了實驗，結果發現，聚合物含量越低、含水量越高，碳酸鈣晶體在表面的附著力就越差。研究人員的設計靈感來源于大自然，特別是鯊魚皮膚上的脊，這種脊會使微生物很難附著。使用聚苯乙烯制成的模型顆粒進行的測試表明，表面脊必須比沉積在上面的顆粒小，這樣才能減小接觸面，從而減小產生的粘合力。

該研究的第一作者朱利安-施密德（Julian Schmid）說："我們改變了材料的表面，以達到最高效率，然后以最佳結構尺寸進行晶體實驗。"

電子顯微鏡下看到的與脊狀水凝膠表面涂層接觸的微米級水垢晶體 Julian Schmid/ETH Zurich

在水垢晶體實驗過程中研究人員發現，當水流過柔軟的水凝膠涂層表面時，多達 98% 大小約為 10 微米的晶體被清除。在相同條件下，這比使用未經處理的硬質基底要好 66%。

目前，有時使用有毒化學品來清除熱交換器和膜上的水垢。研究人員說，他們的新型表面涂層比目前的方法更環保、更高效。此外，他們還希望他們的解決方案可以推廣。

研究人員沒有為他們的方法申請專利，而是決定公布他們的研究結果，以便其他有關方面使用和進一步開發這種新型涂層。

這項研究發表在《科學進展》雜志上。