Биомиметическое необрастающее покрытие - Википедия - Biomimetic antifouling coating

Биомиметическое необрастающее покрытиеs - это специальные покрытия, предотвращающие скопление морских организмов на поверхности. Типичные противообрастающие покрытия не биомиметик но основаны на синтетических химические соединения которые могут иметь пагубные последствия для окружающей среды. Яркими примерами являются трибутилолово составы, входящие в состав красок для предотвращения биообрастание корпусов кораблей. Несмотря на то, что он очень эффективен в борьбе с накоплением ракушек и других проблемных организмов, оловоорганическое соединение краски вредны для многих организмов и, как было показано, нарушают морские пищевые цепи.[1][2][3]

Химические методы

Большинство противообрастающих покрытий основаны на химические соединения которые препятствуют обрастанию. При использовании в морских покрытиях эти биоциды выщелачивать в непосредственной близости и минимизировать засорение. Классический синтетический противообрастающий агент - это трибутилолово (TBT). Природные биоциды обычно оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но переменную эффективность.

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

Природные биоциды можно найти в различных источниках, включая губки, водоросли, кораллы, морские ежи, бактерии и морские брызги,[4] и включают токсины, анестетики, и рост / привязанность /метаморфоза -гибающие молекулы.[5] Как группа, одни только морские микроводоросли производят более 3600 вторичных метаболиты которые играют сложные экологические роли, включая защиту от хищников, а также защиту от обрастания,[6] растущий научный интерес к изучению морских природных продуктов как природных биоцидов. Природные биоциды обычно делятся на две категории: терпены (часто содержат ненасыщенные лиганд группы и электроотрицательные кислородные функциональные группы) и нетерпены.

Разные дубильные вещества (нетерпен), естественно синтезируемые различными растениями, являются эффективными биоцидами в сочетании с солями меди и цинка.[7] Дубильные вещества способны флокулировать различные катионы, которые затем проявляют антисептические свойства. Самый эффективный природный биоцид - 3,4-дигидроксибуфа-20,22 диенолид, или буфалин (стероид жаба яд из Bufo vulgaris), который более чем в 100 раз эффективнее TBT в предотвращении биообрастания.[5] Однако буфалин стоит дорого. Несколько природных соединений с более простыми способами синтеза, такие как никотинамид или 2,5,6-трибром-1-метилграмин (от Zoobotryon pellucidum), были включены в запатентованные противообрастающие краски.[5]

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

Где Lа - фактически высвобожденная доля биоцида (обычно около 0,7), а - массовая доля активного ингредиента в биоциде, DFT толщина сухой пленки, Wа это концентрация естественного биоцида во влажной краске, САУ - удельный вес влажной краски, и СВР процентное соотношение сухой и влажной краски по объему.

Миметики из кожи акулы

Один из классов биомиметических противообрастающих покрытий основан на поверхности кожи акулы, которая состоит из накладывающихся друг на друга пластин нанометрового размера с параллельными гребнями, которые эффективно предотвращают загрязнение акул даже при движении с низкой скоростью. Противообрастающие свойства дизайна, вдохновленного кожей акулы, по-видимому, сильно зависят от инженерного индекса шероховатости (ERI).[9]

Где р - коэффициент шероховатости Венцеля, п - количество отдельных элементов поверхности в дизайне поверхности, а φ - доля площади вершин отдельных элементов поверхности. У полностью гладкой поверхности ERI = 0.

Используя это уравнение, количество спор микрообрастания на мм2 можно смоделировать. Подобно реальной коже акулы, узорчатый характер Sharklet AF показывает микроструктурные различия в трех измерениях с соответствующим ERI 9,5. Это различие в трехмерном узоре обеспечивает уменьшение оседания микрообрастания на 77%.[10] Другие искусственные наноуровневые шероховатые поверхности без рисунка, такие как круглые столбы диаметром 2 мкм (ERI = 5,0) или гребни шириной 2 мкм (ERI = 6,1), уменьшают оседание загрязнений на 36% и 31% соответственно, в то время как поверхность с более узором состоит из круглых столбиков диаметром 2 мкм и равносторонних треугольников 10 мкм (ERI = 8,7) снижает оседание спор на 58%.[10] В углы контакта полученные для гидрофобных поверхностей, напрямую связаны с шероховатостью поверхности Венцель уравнение.[11]

Выводы

Биомиметические необрастающие покрытия очень прибыльны из-за их низкого воздействия на окружающую среду и продемонстрировали успех. Некоторые свойства биомиметического противообрастающего покрытия можно предсказать, исходя из углов смачивания, полученных из уравнения Венцеля, и расчетного коэффициента полезного действия. Природные материалы, такие как кожа акулы, продолжают вдохновлять ученых на улучшение покрытий, которые в настоящее время представлены на рынке.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Сальта, М., Уортон, Дж. А., Стодли, П., Деннингтон, С. П., Гудс, Л. Р., Вервински, С., Март, У., Вуд, Р. Дж. К., Стокс, К. Р., "Разработка биомиметических поверхностей против обрастания", Philos. Пер. Р. Соц., А 2010, 368, 4729. Дои:10.1098 / rsta.2010.0195
  2. ^ Mueller, WEG, Wang, X., Proksch, P., Perry, CC, Osinga, R., Garderes, J., Schroeder, HC, "Принципы защиты от биообрастания в морских губках: модель для разработки новых биомиметических и Биологически активные покрытия в морской среде? », Mar. Biotechnol. 2013, 15, 375.Дои:10.1007 / s10126-013-9497-0
  3. ^ 1. Гиттенс, Дж. Э., Смит, Т. Дж., Сулейман, Р., Акид, Р., «Существующие и новые экологически безопасные системы для борьбы с обрастанием в морской среде», Biotechnol. Adv. 2013, 31, 1738.Дои:10.1016 / j.biotechadv.2013.09.002
  4. ^ Чемберс, ЛД; Стокса, КР; Уолш, ФК; Дерево, RJK (2006). «Современные подходы к судовым необрастающим покрытиям» (PDF). Технология поверхностей и покрытий. 6 (4): 3642–3652. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2006.08.129.
  5. ^ а б c Омаэ, Ивао (2003). «Общие аспекты необрастающих красок, не содержащих олова» (PDF). Химические обзоры. Американское химическое общество. 103 (9): 3431–3448. Дои:10.1021 / cr030669z. PMID  12964877. Получено 23 мая, 2012{{противоречивые цитаты}}
  6. ^ Bhadury, P; Райт, Филлипс. (2004). «Использование морских водорослей: биогенные соединения для потенциальных противообрастающих применений». Planta. 219 (4): 561–578. Дои:10.1007 / s00425-004-1307-5. PMID  15221382. S2CID  34172675.
  7. ^ Bellotti, N; Дея, С; дель Амо, B; Романьоли, Р. (2010). «Необрастающие краски с цинком» Tannate"". Ind. Eng. Chem. Res. 49 (7): 3386–3390. Дои:10.1021 / ie9010518. S2CID  97910150.
  8. ^ «Документ с изложением сценария выбросов в приложении к противообрастающим продуктам» (PDF). Публикации по биоцидам. Организация экономического сотрудничества и развития. Получено 6 июн 2011.
  9. ^ Длинный, C; Шумахер, Джеймс Ф .; Робинсон, Пол A.C .; Finlay, John A .; Callow, Maureen E .; Callow, James A .; Бреннан, Энтони Б. (2010). «Модель, которая предсказывает поведение прикрепления зооспор Ulva linza на топографии поверхности». Биообрастание. 26 (4): 411–419. Дои:10.1080/08927011003628849. PMID  20191401. S2CID  5350118.
  10. ^ а б Шумахер, Дж; Карман, Мишель Л .; Estes, Thomas G .; Файнберг, Адам В .; Уилсон, Лесли Н .; Callow, Maureen E .; Callow, James A .; Финли, Джон А .; Бреннан, Энтони Б. (2007). «Инженерные микрорельефы против обрастания - влияние размера элемента, геометрии и шероховатости на оседание зооспор зеленой водоросли Ulva». Биообрастание. 23 (1): 55–62. Дои:10.1080/08927010601136957. PMID  17453729. S2CID  5925449.
  11. ^ Cheng, Y; Родак, Д; Вонг, C; Хайден, К. (2006). «Влияние микро- и наноструктуры на самоочищение листьев лотоса». Нанотехнологии. 17 (5): 1359–1362. Дои:10.1088/0957-4484/17/5/032.