Saltkrypning, ett fenomen som förekommer både i naturliga och industriella processer, beskriver ansamling och migration av saltkristaller från avdunstande lösningar till ytor. När kristallerna börjar ansamlas klättrar de uppåt och sprider sig bort från lösningen. Enligt forskare kan detta krypande beteende orsaka skador eller utnyttjas på ett positivt sätt, beroende på sammanhanget.
Ny forskning som publicerades den 30 juni i tidskriften Langmuir är den första som visar saltkrypning på en enskild kristallskala och under en vätskas menisk.
”Arbetet förklarar inte bara hur saltkrypning börjar, utan också varför och när det börjar”, säger Joseph Phelim Mooney, postdoktor vid MIT Device Research Laboratory och en av författarna till den nya studien. ”Vi hoppas att denna insikt kan hjälpa andra, oavsett om de arbetar med vattenbrist, bevarar gamla väggmålningar eller utformar mer hållbar infrastruktur.”
Arbetet är det första som direkt visualiserar hur saltkristaller växer och interagerar med ytor under en vätskemenisk, något som har teoretiserats i årtionden men aldrig tidigare avbildats eller bekräftats på denna nivå. Det ger grundläggande insikter som kan påverka en rad olika områden – från mineralutvinning och avsaltning till antifoulingbeläggningar, membrankonstruktion för separationsvetenskap och till och med konstkonservering, där salt skador är ett stort hot mot kulturarvsmaterial.
Inom civilingenjörsvetenskap kan forskningen till exempel hjälpa till att förklara varför och när saltkristaller börjar växa på ytor som betong, sten eller byggmaterial. ”Dessa kristaller kan utöva tryck och orsaka sprickor eller flagnande, vilket minskar konstruktioners långsiktiga hållbarhet”, säger Mooney. ”Genom att precisera det ögonblick när saltet börjar krypa kan ingenjörer bättre utforma skyddande beläggningar eller dräneringssystem för att förhindra denna form av nedbrytning.”
Inom ett område som konstkonservering, där salt kan vara förödande för väggmålningar, fresker och fornartifakter och ofta bildas under ytan innan synliga skador uppstår, kan arbetet bidra till att identifiera de exakta förhållanden som får salt att börja röra sig och spridas, så att konservatorer kan agera tidigare och mer precist för att skydda kulturföremål.
Arbetet inleddes under Mooneys Marie Curie-stipendium vid MIT. ”Jag fokuserade på att förbättra avsaltningssystem och stötte snabbt på [saltansamlingar som] ett stort hinder”, säger han. ”[Salt] fanns överallt, täckte ytor, täppte till flödesvägar och undergrävde effektiviteten i våra konstruktioner. Jag insåg att vi inte helt förstod hur eller varför salt börjar krypa över ytor.”
Den erfarenheten ledde Mooney till att tillsammans med kollegor fördjupa sig i grunderna för saltkristallisation vid gränssnittet mellan luft, vätska och fast ämne. ”Vi ville zooma in för att verkligen se när saltet börjar röra sig, så vi vände oss till in situ-röntgenmikroskopi”, säger han. ”Det vi upptäckte gav oss ett helt nytt sätt att tänka på ytföroreningar, materialnedbrytning och kontrollerad kristallisation.”
Med hjälp av röntgenmikroskopi in situ kunde forskarna observera saltkrypning på enkelkristallnivå. Källa: Massachusetts Institute of Technology
Den nya forskningen kan faktiskt möjliggöra bättre kontroll av de kristallisationsprocesser som krävs för att ta bort salt från vatten i system med nollutsläpp av vätska. Den kan också användas för att förklara hur och när avlagringar uppstår på utrustningsytor och kan stödja nya klimattekniker som är beroende av smart kontroll av avdunstning och kristallisation.
Arbetet stöder också mineral- och saltutvinningsapplikationer, där saltinlagring kan vara både ett hinder och en möjlighet. I dessa applikationer säger Mooney: ”Genom att förstå den exakta fysiken bakom saltbildning på ytor kan operatörer optimera kristalltillväxten, förbättra återvinningsgraden och minska materialförlusterna.”
Mooneys medförfattare till artikeln är bland andra kollegorna Omer Refet Caylan, Bachir El Fil (nu docent vid Georgia Tech) och Lenan Zhang (nu docent vid Cornell University) vid MIT Device Lab, Jeff Punch och Vanessa Egan vid University of Limerick samt Jintong Gao vid Cornell.
Forskningen genomfördes med hjälp av röntgenmikroskopi in situ. Mooney säger att teamets stora insikt kom när de kunde observera en enskild saltkristall som fäste sig vid ytan, vilket satte igång en kaskad av tillväxt.
”Folk hade spekulerat om detta, men vi fångade det på röntgen för första gången. Det kändes som att se det mikroskopiska ögonblicket när allt tippar över, tändpunkten för en självförstärkande process”, säger Mooney.
”Ännu mer överraskande var det som följde: Saltkristallen växte inte bara passivt för att fylla det tillgängliga utrymmet. Den trängde igenom gränssnittet mellan vätska och luft och omformade själva menisken, vilket skapade perfekta förhållanden för nästa kristall. Den subtila, rekursiva mekanismen hade aldrig tidigare dokumenterats visuellt – och att se den utspela sig i realtid förändrade helt vår syn på saltkristallisation.”
Mer information: 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
Denna artikel publiceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om forskning, innovation och undervisning vid MIT.
