材料表面结垢对表面物质流动以及热、电、光等传导均具有重要影响，会极大降低工业过程中各种设备的性能。例如，结垢会降低热交换器和锅炉的加热效率、增加管道压力、造成膜组件堵塞、汽轮机叶片腐蚀、降低电极导电性和活性等等，极大增加设备的运行成本和安全隐患。因此，从分子和原子尺度理解材料表面上水、离子、以及材料本身的相互作用机制，研究材料表面特性如表面粗糙度、表面电荷、亲疏水性等对水分子和离子行为的影响，从而开发具有优异抗结垢性能的关键材料，对工业领域具有重要意义。

北京大学环境学院与工程学院左魁昌课题组与美国莱斯大学、清华大学、耶鲁大学等组成的联合研究团队，报道了六方氮化硼（hBN）优异的抗结垢性能，其不仅优于传统的金属（钛Ti）和高分子有机物（聚偏氟乙烯PVDF），更优于具有超强抗污染性能的石墨烯。实验和理论计算表明，hBN这种优异的抗结垢性能主要来自于其原子级光滑的表面形貌、由B-N极性键引起的表面能量褶皱、以及和水分子尺寸相当的晶格常数。后两个因数导致hBN与极性水分子之间发生强烈相互作用，从而在hBN表面形成致密水膜，阻碍了矿物离子和晶体在hBN表面的附着与生长。

原始铜片（pristine）、生长了石墨烯（graphene）的铜片以及生长了hBN的铜片在饱和CaSO₄中的结垢行为。其中原始铜片表面迅速结垢、石墨烯表面也有少量结垢，而hBN在220分钟的运行中几乎没有结垢，显示出优异的抗结垢性能。

研究成果以“Ultrahigh resistance of hexagonal boron nitride to mineral scale formation”为题于2022年8月4日发表于Nature Communications（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32193-4）。北京大学环境科学与工程学院左魁昌研究员为该文第一作者，北京大学为第一单位。莱斯大学张祥博士为共同一作。莱斯大学李琪琳教授、楼峻教授、Pulickel M. Ajayan教授以及清华大学王炜鹏助理研究员为通讯作者。其他合作者还包括美国耶鲁大学Menachem Elimelech院士、莱斯大学Pedro J.J. Alvarez院士、EliezerF.Oliveira博士、郭华博士、黄小川、翟天舒。

此外，作为该成果的前期工作，左魁昌研究员还于2020年在Nature Nanotechnology上发表了关于hBN材料的应用。基于其优良的热稳定性、化学稳定性、导热性、绝缘性等性能，该工作报道了hBN在高浓盐水深度脱盐与浓缩领域的应用。相关内容可见https://doi.org/10.1038/s41565-020-00777-0