Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биомиметические необрастающие покрытия - это специальные покрытия, предотвращающие скопление 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 для предотвращения биообрастания корпусов судов. Несмотря на свою высокую эффективность в борьбе с накоплением ракушек и других проблемных организмов, краски, содержащие оловоорганическое вещество, наносят вред многим организмам и, как было показано, прерывают морские пищевые цепи. [1] [2] [3]

Химические методы [ править ]

Большинство противообрастающих покрытий основаны на химических соединениях, которые препятствуют обрастанию. При включении в морские покрытия эти биоциды проникают в окружающую среду и сводят к минимуму загрязнение. Классическим синтетическим противообрастающим средством является трибутилолово (ТБТ). Природные биоциды обычно оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, но обладают различной эффективностью.

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

Природные биоциды найдены в различных источниках, в том числе губок , водорослей, кораллов , морских ежей , бактерий и морских впрыскивает , [4] и включают в себя токсины, анестетики , и рост / присоединени / метаморфоза -inhibiting молекулы. [5] Как группа, одни только морские микроводоросли производят более 3600 вторичных метаболитов, которые играют сложные экологические роли, включая защиту от хищников, а также защиту от обрастания, [6] повышая научный интерес к исследованию морских природных продуктов как 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 (нетерпены), естественным образом 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. Наиболее эффективным является естественным биоцида 3,4-dihydroxybufa-20,22 dienolide или bufalin (стероид из жабы яда из Bufo вульгарные ), которая является более чем 100 раз более эффективен , чем ТБТ на предотвращение обрастания. [5] Однако буфалин стоит дорого. Несколько природных соединений с более простыми способами синтеза, такие как никотинамид или 2,5,6-трибром-1-метилграмин (из Zoobotryon pellucidum), были включены в запатентованные необрастающие 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 L a - это доля фактически высвобожденного биоцида (обычно около 0,7), a - массовая доля активного ингредиента в биоциде, DFT - толщина сухой пленки, W a - концентрация природного биоцида во влажной краске. , SPG - удельный вес влажной краски, а SVR - процентное соотношение сухой краски и влажной краски по объему.

Миметики из кожи акулы [ править ]

Один класс 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 r - коэффициент шероховатости Венцеля, n - количество отдельных элементов поверхности в дизайне поверхности, а φ - доля площади вершин отдельных элементов поверхности. У полностью гладкой поверхности ERI = 0.

Используя это уравнение, можно смоделировать количество спор микрообрастания на мм 2 . Подобно реальной коже акулы, узорчатый характер Sharklet AF показывает микроструктурные различия в трех измерениях с соответствующим ERI 9,5. Это различие в трехмерной структуре позволяет уменьшить оседание 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 обрастания на 36% и 31% соответственно, в то время как более узорчатая поверхность, состоящая из круглых столбиков диаметром 2 мкм и равносторонних треугольников 10 мкм (ERI = 8,7), снижает оседание спор на 58%. [10] В углах смачиванияполученные для гидрофобных поверхностей напрямую связаны с шероховатостями поверхности уравнением Венцеля . [11]

Выводы [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Биообрастание
  • Обрастание
  • Противообрастающий
  • Биомимикрия
  • Бионика
  • Трибутилолово (TBT)
  • Sharklet

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Salta, M., Wharton, JA, Stoodley, P., Dennington, SP, Goodes, LR, Werwinski, S., Mart, U., Wood, RJK, Stokes, KR, «Разработка биомиметических необрастающих поверхностей», Philos. Пер. Р. Soc, А 2010, 368, 4729.. DOI : 10.1098 / rsta.2010.0195
  2. ^ Mueller, WEG, Ван, X., Proksch П., Перри, CC, Osinga, Р., Garderes, J., Schroeder, HC, «Принципы защиты обрастания в морских губок: модель для создания новых Biomimetic и покрытия на основе биологических материалов в морской среде? », Mar. Biotechnol. 2013, 15, 375. DOI : 10.1007 / s10126-013-9497-0
  3. ^ 1. Гиттенс, Дж. Э., Смит, Т. Дж., Сулейман, Р., Акид, Р., «Существующие и появляющиеся экологически безопасные системы для борьбы с обрастанием в морской среде», Biotechnol. Adv. 2013, 31, 1738. DOI : 10.1016 / j.biotechadv.2013.09.002
  4. ^ Чемберс, LD; Стокса, КР; Уолш, ФК; Вуд, RJK (2006). «Современные подходы к судовым необрастающим покрытиям» (PDF) . Технология поверхностей и покрытий . 6 (4): 3642–3652. DOI : 10.1016 / j.surfcoat.2006.08.129 .
  5. ^ a b c Омаэ, Ивао (2003). «Общие аспекты необрастающих красок, не содержащих олова» (PDF) . Химические обзоры . Американское химическое общество . 103 (9): 3431–3448. DOI : 10.1021 / cr030669z . PMID 12964877 . Проверено 23 мая 2012 г. {{противоречивые цитаты}}.   CS1 maint: discouraged parameter (link) CS1 maint: postscript (link)
  6. ^ Bhadury, P; Райт, Филипп. (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, N; Дея, С; дель Амо, B; Романьоли, Р. (2010). «Необрастающие краски с цинком« Tannate » » . Ind. Eng. Chem. Res . 49 (7): 3386–3390. DOI : 10.1021 / ie9010518 . S2CID 97910150 . 
  8. ^ "Документ сценария выбросов в приложении к противообрастающим продуктам" (PDF) . Публикации по биоцидам . Организация экономического сотрудничества и развития . Проверено 6 июня 2011 года . CS1 maint: discouraged parameter (link)
  9. ^ Длинный, C; Шумахер, Джеймс Ф .; Робинсон, Пол AC; Финли, Джон А .; 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. DOI : 10.1080 / 08927011003628849 . PMID 20191401 . S2CID 5350118 .  
  10. ^ a b Шумахер, J; Карман, Мишель Л .; Estes, Thomas G .; Файнберг, Адам В .; Уилсон, Лесли H .; 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. DOI : 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. DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 17/5/032 .