火力发电厂因使用热水而产生的水垢积聚会严重影响效率，这促使研究人员开发出一种新型软水凝胶表面涂层，它能排斥水垢晶体并防止其附着。水垢主要由碳酸钙组成，在家庭周围、水壶、水箱和洗衣机内部都能看到水垢堆积，尤其是在水质较硬（即矿物质含量较高）的地区，以及表面接触热水时。

水垢积聚在家中固然令人烦恼，但对火力发电厂的影响更大。这些发电厂使用锅炉加热水，产生高压蒸汽，驱动涡轮机产生机械能，再由发电机转换成电能。工业热交换器和膜很容易结垢，由于热传导和流动性能效率降低，每年造成的能源损失巨大，至少占全球能源总产量的 2%。

为了解决这个问题，瑞士苏黎世联邦理工学院和美国加州大学伯克利分校的研究人员合作开发了一种创新的水凝胶表面涂层，可以驱除水垢并防止其附着。

研究人员首先在显微镜下观察了单个水垢晶体和周围的水流，以了解晶体如何在动态水环境中沉积和附着。然后，他们着手用软材料开发了几种涂层，并在实验室中进行了测试。

测试对象聚苯乙烯珠在凹槽表面上。（摄影：朱利安·施密德 / 苏黎世联邦理工学院)

研究人员用来测试石灰晶体如何粘附到不同表面的测试装置。（摄影：朱利安·施密德 / 苏黎世联邦理工学院）

电镜下凹槽表面仅有几微米大小的石灰晶体。（照片：朱利安·施密德/苏黎世联邦理工学院）

研究人员主要对不同的聚合物含量进行了实验，结果发现，聚合物含量越低、含水量越高，碳酸钙晶体在表面的附着力就越差。研究人员的设计灵感来源于大自然，特别是鲨鱼皮肤上的脊，这种脊会使微生物很难附着。使用聚苯乙烯制成的模型颗粒进行的测试表明，表面脊必须比沉积在上面的颗粒小，这样才能减小接触面，从而减小产生的粘合力。

该研究的第一作者朱利安-施密德（Julian Schmid）说："我们改变了材料的表面，以达到最高效率，然后以最佳结构尺寸进行晶体实验。"

电子显微镜下看到的与脊状水凝胶表面涂层接触的微米级水垢晶体 Julian Schmid/ETH Zurich

在水垢晶体实验过程中研究人员发现，当水流过柔软的水凝胶涂层表面时，多达 98% 大小约为 10 微米的晶体被清除。在相同条件下，这比使用未经处理的硬质基底要好 66%。

目前，有时使用有毒化学品来清除热交换器和膜上的水垢。研究人员说，他们的新型表面涂层比目前的方法更环保、更高效。此外，他们还希望他们的解决方案可以推广。

研究人员没有为他们的方法申请专利，而是决定公布他们的研究结果，以便其他有关方面使用和进一步开发这种新型涂层。

这项研究发表在《科学进展》杂志上。