물, 연료 또는 화학 물질을 운송하는 경우 시간이 지남에 따라 산업용 파이프라인의 내벽에 광물 침전물이 축적되어 흐름이 감소하고 장비 마모가 증가하며 회사가 청소 및 유지 관리를 위해 정기적으로 문을 닫게 되어 운영 비용이 증가합니다. 현재 일반적인 대책으로는 연수, 화학적 스케일 방지제 첨가, 특수 파이프나 라이닝 사용 등이 있습니다. 그러나 이러한 방법에는 한계가 있으며 효율성, 비용 및 환경 보호를 동시에 고려하기가 어렵습니다.
라이스 대학교 휴스턴 캠퍼스의 재료 과학 팀은 실험실에서 만든 다이아몬드 필름을 파이프 내벽 코팅으로 사용하면 빈번한 수동 개입 없이도 스케일링을 크게 억제하고 표면을 깨끗하게 유지할 수 있다고 제안했습니다. 이 아이디어는 "다이아몬드는 극도로 단단하고 화학적으로 안정할 뿐만 아니라 박테리아의 성장도 억제할 수 있다"는 이전 연구의 발견을 이어가며 열악한 작업 조건에서 엔지니어링 적용을 위한 이론적 기초를 제공합니다.
연구진은 현재 합성 다이아몬드에 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나인 다이아몬드 필름을 준비하기 위해 마이크로파 플라즈마 화학 기상 증착(MPCVD) 공정을 사용했습니다. 실험에서는 메탄과 수소를 반응 챔버에 공급하고, 나노다이아몬드 용액으로 미리 회전시킨 실리콘 웨이퍼를 챔버에 넣었습니다. 고출력 마이크로파는 가스를 고온 플라즈마로 여기시켰고, 방출된 탄소 원자는 몇 시간 내에 다이아몬드 구조로 증착 및 재배열되어 연속적인 필름을 형성했습니다. 그 후, 팀은 다양한 가스를 사용하여 필름 표면을 "종단화"하여 질소, 산소, 수소 또는 불소와 같은 다양한 표면 그룹을 운반하여 오염 방지 특성을 비교했습니다.
성능 평가에서 연구원들은 이러한 다이아몬드 필름 샘플을 과포화 황산칼슘 용액에 담그고 실온에서 20시간 동안 방치하여 미네랄 스케일이 자연적으로 침전되도록 했습니다. 결과는 질소 말단 다이아몬드 필름의 스케일링 양이 다른 유형(산소, 수소, 불소 말단)보다 한 자릿수 이상 낮으며, 미네랄은 제거하기 어려운 조밀한 피복층을 형성하는 대신 산발적으로 결정 클러스터로 집합한다는 것을 보여줍니다. 붕소가 도핑된 다이아몬드 전극에 동일한 처리를 적용한 경우, 표면 오염의 양은 처리되지 않은 전극에 비해 약 7배 적었으며, 이는 전기화학 장치에서 이 공정의 잠재력을 더욱 입증했습니다.
논문의 저자이자 라이스대학교 재료과학 및 나노공학과 교수인 Pulickel Ajayan은 이 결과가 증기상 성장을 통해 얻은 비용 제어가 가능한 다결정 다이아몬드 필름이 내구성이 있고 스케일링 방지 재료가 될 수 있으며 해수 담수화, 에너지 시스템 및 미네랄 스케일링으로 문제가 되는 기타 분야에 적합하다는 것을 보여준다고 말했습니다. Ajayan의 연구 그룹은 올해 초 더 빠르고 효율적인 전자 장치 및 양자 컴퓨팅 구성 요소 제조에 대한 응용 가능성을 입증하고 다이아몬드 박막의 다중 시나리오 엔지니어링을 위한 프로세스 기반을 마련하는 등 다이아몬드 박막에 대한 연구를 계속해 왔습니다. 향후 이러한 유형의 다이아몬드 코팅은 산업용 파이프라인의 내벽에만 사용될 수 있을 뿐만 아니라 해수 담수화 장치, 석유 및 가스 추출 장비, 발전소 등 주요 인프라로 확장되어 소스 스케일링으로 인한 에너지 소비 및 유지 관리 비용을 줄일 수 있을 것으로 예상됩니다.