水、燃料、化学薬品のいずれを輸送する場合でも、時間の経過とともに鉱物堆積物が産業用パイプラインの内壁に蓄積し、流量の減少、機器の磨耗の増加を引き起こし、企業は清掃やメンテナンスのために定期的に停止することを余儀なくされ、運営コストが増加します。現在一般的な対策としては、水の軟化、化学スケール防止剤の添加、特殊なパイプやライニングの使用などが挙げられます。しかし、これらの方法には独自の限界があり、有効性、コスト、環境保護を同時に考慮することは困難です。
ライス大学ヒューストンキャンパスの材料科学チームは、パイプの内壁のコーティングとしてラボグロウンダイヤモンドフィルムを使用すると、頻繁に手作業で介入することなくスケールの付着を大幅に抑制し、表面をきれいに保つことができると提案しました。このアイデアは、「ダイヤモンドは非常に硬く、化学的に安定しているだけでなく、細菌の増殖も抑制できる」という以前の研究での発見を継続し、過酷な作業条件での工学的応用に対する理論的基礎を提供します。
研究者らは、現在合成ダイヤモンドで最も一般的に使用されている方法の 1 つであるマイクロ波プラズマ化学蒸着 (MPCVD) プロセスを使用してダイヤモンド膜を作製しました。実験では、メタンと水素を反応チャンバーに供給し、ナノダイヤモンド溶液で予めスピンさせたシリコンウェーハをチャンバー内に置きました。高出力のマイクロ波によってガスが励起されて高温プラズマが生成され、放出された炭素原子が数時間以内に堆積してダイヤモンド構造に再配列され、連続膜が形成されました。続いて、チームはさまざまなガスを使用してフィルムの表面を「末端化」し、窒素、酸素、水素、フッ素などのさまざまな表面基を担持させ、その防汚特性を比較しました。
性能評価において、研究者らはこれらのダイヤモンドフィルムサンプルを過飽和硫酸カルシウム溶液に浸し、室温で20時間放置し、鉱物スケールを自然に沈殿させました。その結果、窒素終端ダイヤモンド膜のスケーリングの量は他の種類（酸素、水素、フッ素終端）に比べて一桁以上低く、鉱物は除去が困難な緻密な被覆層を形成するのではなく、結晶クラスターに散発的に凝集するだけであることが示されています。同じ処理をホウ素ドープ ダイヤモンド電極に適用した場合、表面汚れの量は未処理の電極の約 7 分の 1 であり、電気化学デバイスにおけるこのプロセスの可能性がさらに実証されました。
論文の著者でライス大学材料科学・ナノ工学部教授のプリッケル・アジャヤン氏は、この結果は、気相成長によって得られるコスト制御可能な多結晶ダイヤモンド膜が、耐久性がありスケール防止材料となり得ることを示しており、海水淡水化、エネルギーシステム、その他鉱物スケールに悩まされる分野に適していると述べた。アジャヤン研究グループはこれまで、今年初めにより高速で効率的な電子デバイスや量子コンピューティングコンポーネントの製造における応用可能性を実証するなど、ダイヤモンド薄膜の研究を継続しており、ダイヤモンド薄膜のマルチシナリオエンジニアリングのプロセス基盤を築いてきた。将来的には、このタイプのダイヤモンドコーティングは産業用パイプラインの内壁に使用されるだけでなく、海水淡水化装置、石油・ガス抽出装置、発電所などの主要なインフラにも拡張され、エネルギー消費量や発生源からのスケールアップによるメンテナンスコストを削減する可能性もあります。