Биомиметическое противообрастающее покрытие

Покрытие, препятствующее скоплению морских организмов

Биомиметическое противообрастающее покрытие — это обработка, которая предотвращает накопление морских организмов на поверхности. Типичные противообрастающие покрытия не являются биомиметическими , а основаны на синтетических химических соединениях , которые могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду. Яркими примерами являются соединения трибутилолова , которые являются компонентами красок для предотвращения биообрастания корпусов судов. Хотя краски , содержащие органооловянные соединения, очень эффективны в борьбе с накоплением морских желудей и других проблемных организмов, они наносят вред многим организмам и, как было показано, прерывают морские пищевые цепи. ^{[1] [2] [3]}

Биомиметические противообрастающие покрытия очень прибыльны из-за их низкого воздействия на окружающую среду и продемонстрированного успеха. Некоторые свойства биомиметического противообрастающего покрытия можно предсказать по углам контакта, полученным из уравнения Венцеля, и рассчитанному ERI. Натуральные материалы, такие как акулья кожа, продолжают вдохновлять ученых на улучшение покрытий, которые в настоящее время представлены на рынке.

Химические методы

Большинство противообрастающих покрытий основаны на химических соединениях , которые препятствуют обрастанию. При включении в морские покрытия эти биоциды выщелачиваются в непосредственную окружающую среду и минимизируют обрастание. Классическим синтетическим противообрастающим средством является трибутилтин (ТБТ). Натуральные биоциды обычно оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но имеют разную эффективность.

Химическая структура буфалина (3,4-дигидроксибуфа-20,22 диенолид)

Природные биоциды встречаются в различных источниках, включая губки , водоросли, кораллы , морских ежей , бактерии и асцидии , ^[4] и включают токсины, анестетики и молекулы, ингибирующие рост/прикрепление/ метаморфоз . ^[5] Как группа, морские микроводоросли производят более 3600 вторичных метаболитов , которые играют сложную экологическую роль, включая защиту от хищников, а также защиту от обрастания, ^[6] увеличивая научный интерес к скринингу морских натуральных продуктов в качестве природных биоцидов. Природные биоциды обычно делятся на две категории: терпены (часто содержащие ненасыщенные лигандные группы и электроотрицательные кислородные функциональные группы) и нетерпены.

Различные танины (нетерпеновые), естественным образом синтезируемые различными растениями, являются эффективными биоцидами в сочетании с солями меди и цинка. ^[7] Танины способны флокулировать с различными катионами, которые затем проявляют антисептические свойства. Самым эффективным природным биоцидом является 3,4-дигидроксибуфа-20,22 диенолид, или буфалин (стероид яда жабы из Bufo vulgaris ), который более чем в 100 раз эффективнее ТБТ в предотвращении биообрастания. ^[5] Однако буфалин дорог. Несколько природных соединений с более простыми синтетическими путями, такими как никотинамид или 2,5,6-трибром-1-метилграмин (из Zoobotryon pellucidum ), были включены в запатентованные краски против обрастания. ^[5]

Существенным недостатком биомиметических химических агентов является их скромный срок службы. Поскольку природные биоциды должны выщелачиваться из покрытия, чтобы быть эффективными, скорость выщелачивания является ключевым параметром. ^[8]

${\displaystyle {\text{Total biocide release}}={L_{\text{a}}\times a\times W_{\text{a}}\times 100 \over \ SVR\times SPG\times DFT}}$

Где L _a — доля фактически высвобождаемого биоцида (обычно около 0,7), a — массовая доля активного ингредиента в биоциде, DFT — толщина сухой пленки, W _a — концентрация натурального биоцида в сырой краске, SPG — удельный вес сырой краски, а SVR — процентное соотношение сухой краски к сырой по объему.

Имитаторы кожи акулы

Один класс биомиметических противообрастающих покрытий вдохновлен поверхностью кожи акулы, которая состоит из наномасштабных перекрывающихся плакоидных чешуек , которые демонстрируют параллельные гребни, которые эффективно предотвращают обрастание акул даже при движении на малых скоростях. Противообрастающие свойства конструкций, вдохновленных кожей акулы, по-видимому, сильно зависят от инженерного индекса шероховатости (ERI). ^[9]

${\displaystyle ERI={r\times n \over 1-\phi }}$

Где r — коэффициент шероховатости Венцеля, n — количество отдельных поверхностных элементов в конструкции поверхности, а φ — доля площади вершин отдельных поверхностных элементов. Полностью гладкая поверхность имела бы ERI = 0.

Используя это уравнение, можно смоделировать количество спор микрообрастания на мм2 ^. Подобно реальной коже акулы, узорчатая природа Sharklet AF показывает микроструктурные различия в трех измерениях с соответствующим ERI 9,5. Это трехмерное узорчатое различие обеспечивает 77%-ное снижение оседания микрообрастания. ^[10] Другие искусственные нешаблонированные наномасштабные шероховатые поверхности, такие как круглые столбы диаметром 2 мкм (ERI = 5,0) или гребни шириной 2 мкм (ERI = 6,1) уменьшают оседание обрастания на 36% и 31% соответственно, в то время как более узорчатая поверхность, состоящая из круглых столбов диаметром 2 мкм и равносторонних треугольников размером 10 мкм (ERI = 8,7), уменьшает оседание спор на 58%. ^[10] Контактные углы , полученные для гидрофобных поверхностей, напрямую связаны с шероховатостью поверхности с помощью уравнения Венцеля . ^[11]

Смотрите также

• Биообрастание
• Загрязнение
• Противообрастающие
• Биомимикрия
• Бионика
• Трибутилолово (ТБТ)
• Шарклет

Ссылки

1. Salta, M., Wharton, JA, Stoodley, P., Dennington, SP, Goodes, LR, Werwinski, S., Mart, U., Wood, RJK, Stokes, KR, "Проектирование биомиметических противообрастающих поверхностей", Philos. Trans. R. Soc., A 2010, 368, 4729. doi :10.1098/rsta.2010.0195
2. Mueller, WEG, Wang, X., Proksch, P., Perry, CC, Osinga, R., Garderes, J., Schroeder, HC, «Принципы защиты от биообрастания морских губок: модель для разработки новых биомиметических и био-вдохновленных покрытий в морской среде?», Mar. Biotechnol. 2013, 15, 375. doi :10.1007/s10126-013-9497-0
3. 1. Gittens, JE, Smith, TJ, Suleiman, R., Akid, R., «Современные и перспективные экологически безопасные системы для контроля обрастания в морской среде», Biotechnol. Adv. 2013, 31, 1738. doi :10.1016/j.biotechadv.2013.09.002
4. Чемберс, Л. Д.; Стоукс, К. Р.; Уолш, Ф. К.; Вуд, Р. Дж. К. (2006). «Современные подходы к морским противообрастающим покрытиям» (PDF) . Технология поверхностей и покрытий . 6 (4): 3642–3652. doi :10.1016/j.surfcoat.2006.08.129.
5. Omae, Iwao (2003). "Общие аспекты необрастающих красок без содержания олова" (PDF) . Chemical Reviews . 103 (9). Американское химическое общество : 3431–3448. doi :10.1021/cr030669z. PMID  12964877. Архивировано из оригинала (PDF) 24 июня 2010 г. . Получено 23 мая 2012 г. .
6. Bhadury, P; Wright, Phillipc. (2004). «Эксплуатация морских водорослей: биогенные соединения для потенциальных противообрастающих применений». Planta . 219 (4): 561–578. doi :10.1007/s00425-004-1307-5. PMID  15221382. S2CID  34172675.
7. Беллотти, Н; Дея, С; дель Амо, Б; Романьоли, Р. (2010). «Необрастающие краски с цинком «Таннат»». Индийский англ. хим. Рез . 49 (7): 3386–3390. дои : 10.1021/ie9010518. hdl : 11336/95496 . S2CID  97910150.
8. "Приложение к сценарию выбросов в противообрастающих продуктах" (PDF) . Biocides Publications . Организация экономического сотрудничества и развития . Получено 6 июня 2011 г. .
9. Лонг, К.; Шумахер, Джеймс Ф.; Робинсон, Пол А.С.; Финлей, Джон А.; Кэллоу, Морин Э.; Кэллоу, Джеймс А.; Бреннан, Энтони Б. (2010). «Модель, которая предсказывает поведение прикрепления зооспор Ulva linza на рельефе поверхности». Биообрастание . 26 (4): 411–419. doi :10.1080/08927011003628849. PMID  20191401. S2CID  5350118.
10. Шумахер, Дж.; Карман, Мишель Л.; Эстес, Томас Г.; Файнберг, Адам В.; Уилсон, Лесли Х.; Кэллоу, Морин Э.; Кэллоу, Джеймс А.; Финлей, Джон А.; Бреннан, Энтони Б. (2007). «Спроектированные противообрастающие микротопографии — влияние размера, геометрии и шероховатости элементов на заселение зооспор зеленой водоросли Ulva». Биообрастание . 23 (1): 55–62. doi :10.1080/08927010601136957. PMID  17453729. S2CID  5925449.
11. Ченг, Y; Родак, D; Вонг, C; Хайден, C (2006). «Влияние микро- и наноструктуры на самоочищающееся поведение листьев лотоса». Нанотехнология . 17 (5): 1359–1362. Bibcode : 2006Nanot..17.1359C. doi : 10.1088/0957-4484/17/5/032. S2CID  137211738.