stringtranslate.com

Биомиметическое противообрастающее покрытие

Биомиметическое противообрастающее покрытие — это обработка, предотвращающая 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 входят в состав красок и предотвращают биообрастание корпусов кораблей. Хотя оловоорганические краски очень эффективны в борьбе с скоплением ракушек и других проблемных организмов, они наносят вред многим организмам и, как было доказано, 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 на основе углов смачивания, полученных из уравнения Венцеля, и рассчитанного ERI. Природные материалы, такие как кожа акулы, продолжают вдохновлять ученых на улучшение покрытий, представленных в настоящее время на рынке.

Химические методы

Большинство противообрастающих покрытий основаны на химических соединениях , которые препятствуют обрастанию. При включении в морские покрытия эти биоциды выщелачиваются в окружающую среду и сводят к минимуму загрязнение. Классическим синтетическим средством против обрастания является трибутилолово (ТБТ). Природные биоциды обычно оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но имеют разную эффективность.

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

Природные биоциды встречаются в различных источниках, включая губки , водоросли, кораллы , морские ежи , бактерии и асцидии [4] , и включают токсины, анестетики и молекулы, ингибирующие рост /прикрепление/ метаморфоз . [5] Как группа, одни только 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 проверке 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 дубильные вещества (нонтерпены), 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. Наиболее эффективным природным биоцидом является 3,4-дигидроксибуфа-20,22-диенолид, или буфалин (стероид жабьего яда Bufo vulgaris ), который более чем в 100 раз более эффективен, чем ТБТ, в предотвращении биообрастания. [5] Однако буфалин стоит дорого. Несколько природных соединений с более простыми путями синтеза, такие как никотинамид или 2,5,6-трибром-1-метилграмин (из Zoobotryon pellucidum ), были включены в запатентованные противообрастающие краски. [5]

Существенным недостатком биомиметических химических агентов является их скромный срок службы. Поскольку для того, чтобы природные биоциды были эффективными, они должны вымываться из покрытия, скорость выщелачивания является ключевым параметром. [8]

Где L a — это доля фактически высвободившегося биоцида (обычно около 0,7), a — массовая доля активного ингредиента в биоциде, DFT — толщина сухой пленки, Wa — концентрация природного биоцида во влажной краске. SPG — это удельный вес влажной краски, а SVR — процентное соотношение сухой краски к влажной краске по объему.

Имитаторы кожи акулы

Один из классов биомиметических противообрастающих покрытий вдохновлен поверхностью акульей кожи, которая состоит из наноразмерных перекрывающихся плакоидных чешуек с параллельными гребнями, которые эффективно предотвращают загрязнение акул даже при движении на малых скоростях. Противообрастающие свойства конструкций, вдохновленных акулой кожей, во многом зависят от расчетного индекса шероховатости (ERI). [9]

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

Используя это уравнение, можно смоделировать количество спор микрообрастания на мм 2 . Подобно настоящей коже акулы, узорчатый характер Sharklet AF демонстрирует микроструктурные различия в трех измерениях с соответствующим ERI 9,5. Эта трехмерная разница в узорах обеспечивает сокращение оседания микрообрастаний на 77%. [10] Другие искусственные наноразмерные шероховатые поверхности без рисунка, такие как круглые столбики 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 столбиков диаметром 2 мкм и равносторонних треугольников диаметром 10 мкм (ERI = 8,7), снижает оседание спор на 58%. [10] Краевые углы , полученные для гидрофобных поверхностей, напрямую связаны с шероховатостью поверхности уравнением Венцеля . [11]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Сальта, М., Уортон, Дж. А., Студли, П., Деннингтон, С. П., Гудс, Л. Р., Вервински, С., Март, У., Вуд, Р. Дж. К., Стоукс, К. Р., «Проектирование биомиметических необрастающих поверхностей», Philos. Пер. Р. Соц., А 2010, 368, 4729. doi :10.1098/rsta.2010.0195
  2. ^ Мюллер, ВЭГ, Ван, К., Прокш, П., Перри, К.С., Осинга, Р., Гардерес, Дж., Шредер, Х.К., «Принципы защиты от биообрастания морских губок: модель для разработки нового биомиметического средства». и биопокрытия в морской среде?», март. Biotechnol. 2013, 15, 375. doi :10.1007/s10126-013-9497-0
  3. ^ 1. Гиттенс, Дж. Э., Смит, Т. Дж., Сулейман, Р., Акид, Р., «Современные и развивающиеся экологически чистые системы контроля загрязнения морской среды», Biotechnol. Адв. 2013, 31, 1738. doi :10.1016/j.biotechadv.2013.09.002.
  4. ^ Чемберс, LD; Стоукс, КР; Уолш, ФК; Вуд, РДК (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. ^ abc Омаэ, Ивао (2003). «Общие аспекты необрастающих красок, не содержащих олова» (PDF) . Химические обзоры . 103 (9). Американское химическое общество : 3431–3448. дои : 10.1021/cr030669z. ПМИД  12964877 . Проверено 23 мая 2012 г.
  6. ^ Бхадури, П; Райт, Филипп. (2004). «Использование морских водорослей: биогенные соединения для потенциальных применений против обрастания». Планта . 219 (4): 561–578. дои : 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. ^ «Документ о сценарии выбросов в приложении к противообрастающим продуктам» (PDF) . Публикации по биоцидам . Организация экономического сотрудничества и развития . Проверено 6 июня 2011 г.
  9. ^ Лонг, С; Шумахер, Джеймс Ф.; Робинсон, Пол AC; Финли, Джон А.; Кэллоу, Морин Э.; Кэллоу, Джеймс А.; Бреннан, Энтони Б. (2010). «Модель, которая предсказывает поведение прикрепления зооспор Ulva linza к топографии поверхности». Биологическое обрастание . 26 (4): 411–419. дои : 10.1080/08927011003628849. PMID  20191401. S2CID  5350118.
  10. ^ аб Шумахер, Дж; Карман, Мишель Л.; Эстес, Томас Г.; Фейнберг, Адам В.; Уилсон, Лесли Х.; Кэллоу, Морин Э.; Кэллоу, Джеймс А.; Финли, Джон А.; Бреннан, Энтони Б. (2007). «Спроектированная микротопография против обрастания - влияние размера элемента, геометрии и шероховатости на заселение зооспор зеленой водоросли Ulva». Биологическое обрастание . 23 (1): 55–62. дои : 10.1080/08927010601136957. PMID  17453729. S2CID  5925449.
  11. ^ Ченг, Ю; Родак, Д; Вонг, К; Хайден, К. (2006). «Влияние микро- и наноструктуры на самоочищение листьев лотоса». Нанотехнологии . 17 (5): 1359–1362. Бибкод : 2006Nanot..17.1359C. дои : 10.1088/0957-4484/17/5/032. S2CID  137211738.