在海水淡化、工业循环水、电化学处理等涉及液固界面的应用中，硫酸钙类无机结垢长期以来是影响设备效率与长期稳定性的核心难题。常规防垢方式多依赖化学药剂或机械清理，不仅周期短、成本高，也会带来潜在的环境负担。因此，开发具有“材料本征抗垢性能”的表界面成为行业新的研究方向。金刚石薄膜因其高硬度、耐腐蚀、导热性佳和表面化学可调控等特点，被视为潜在的高性能抗垢材料。然而，金刚石表面化学如何影响硫酸钙成核、生长与沉积，目前仍缺乏系统研究。

       基于这一问题，美国莱斯大学材料科学与纳米工程系 Pulikel Ajayan 教授、娄俊教授与张祥研究助理教授联合研究团队开展了系统性研究，希望通过调控金刚石表面化学，寻找一种能够长期保持“自洁”状态的抗垢表面。相关研究以 “Nitrogen-Terminated Diamond Films for Antiscaling Coatings” 为题，发表于《ACS Nano》。

Pulikel Ajayan 与张祥  图源：莱斯大学

       研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法制备了多晶金刚石薄膜。该方法通过向反应室中引入甲烷和氢气，在微波辐射作用下形成高温等离子体，使碳原子沉积在硅片表面并形成致密的金刚石结构。值得强调的是，通过后处理调控表面终止——包括氢、氧、氟和氮终止——研究者得以系统观察不同表面化学对硫酸钙结垢行为的影响。

张祥与微波等离子体化学气相沉积装置  图源：莱斯大学

       在高过饱和硫酸钙环境下，各类金刚石表面都发生结垢，但程度迥异。其中最具突破性的，是氮终止金刚石薄膜。它的结垢量比其他终止态减少了一个数量级，显微镜下仅出现零散的小型晶簇，而其他表面则形成连续致密的垢层。结合原子力显微镜的附着力测试，研究者发现硫酸钙在氮终止表面几乎“粘不住”，黏附力几乎降至可忽略水平，远低于氢、氧或氟终止表面。这些差异不仅源自成核量的减少，更与氮终止界面在晶体附着阶段的独特阻碍效应有关。

       分子模拟结果进一步揭示了其根本机制：氮终止金刚石能够诱导表面形成一层紧密结合的水分子膜，这层稳定的界面水层形成了物理与能量双重屏障，使矿物离子难以在表面停留并构成稳定成核点。这意味着即使局部出现结晶，也很难继续扩展成致密覆盖层，从而呈现出“可局部成核但不易生长与附着”的特殊抗垢行为。研究团队将这一特性描述为“表面能够自然保持干净，而无需频繁人工干预”。

       为了验证方法的工程适用性，研究者将同样的表面化学处理应用到硼掺杂金刚石电极（BDD）上，广泛用于电化学水处理系统。结果显示，氮终止处理使这些电极的结垢量大幅下降至原来的约七分之一，同时完全不影响其电化学窗口和性能稳定性。这表明氮终止技术不仅适用于金刚石薄膜，也能直接加持于现有工业电极体系。

       这项研究的完成得益于近年来金刚石薄膜制备质量与表面处理方法的进步。以往由于高质量金刚石薄膜获取成本高、可靠的表面终止手段有限，很难系统研究不同表面化学的抗垢行为。而如今，气相生长金刚石技术已经足够成熟且具备成本优势，使得这类研究成为可能，也让金刚石真正迈向工程化的抗垢材料。

       综上，研究首次从实验、界面物理和工程应用多维度证明：蒸汽相生长的多晶金刚石薄膜，尤其是氮终止表面，可作为一种长期耐用、成本可控、几乎无需额外维护的抗结垢材料。这为海水淡化、能源系统、工业管路以及电化学处理等领域提供了新的解决路径，也展示出金刚石在更广泛材料功能涂层方向的潜力。