Biomimetisk antifouling-beläggning
En biomimetisk antifouling-beläggning är en behandling som förhindrar ansamling av marina organismer på en yta. Typiska antifouling-beläggningar är inte biomimetiska utan är baserade på syntetiska kemiska föreningar som kan ha skadliga effekter på miljön. Bra exempel är tributyltennföreningar , som är komponenter i färger för att förhindra biologisk förorening av fartygsskrov. Även om de är mycket effektiva för att bekämpa ansamling av havstulpaner och andra problematiska organismer, organotennhaltiga färger skadliga för många organismer och har visat sig störa marina näringskedjor.
Biomimetiska antifouling-beläggningar är mycket lukrativa på grund av sin låga miljöpåverkan och påvisade framgång. Vissa egenskaper hos en biomimetisk antifouling-beläggning kan förutsägas från kontaktvinklarna som erhålls från Wenzel-ekvationen och den beräknade ERI. Naturliga material som hajskinn fortsätter att ge inspiration för forskare att förbättra de beläggningar som för närvarande finns på marknaden.
Kemiska metoder
De flesta antifouling-beläggningar är baserade på kemiska föreningar som hämmar nedsmutsning. När de införlivas i marina beläggningar läcker dessa biocider ut i den omedelbara omgivningen och minimerar nedsmutsning. Det klassiska syntetiska antifoulingmedlet är tributyltenn (TBT). Naturliga biocider visar vanligtvis lägre miljöpåverkan men varierande effektivitet.
Naturliga biocider finns i en mängd olika källor, inklusive svampar , alger, koraller , sjöborrar , bakterier och havssprutor , och inkluderar toxiner, bedövningsmedel och tillväxt/fäste/ metamorfoshämmande molekyler. Som en grupp producerar enbart marina mikroalger över 3600 sekundära metaboliter som spelar komplexa ekologiska roller inklusive försvar från rovdjur, såväl som skydd mot påväxt, vilket ökar det vetenskapliga intresset för screening av marina naturprodukter som naturliga biocider. Naturliga biocider delas vanligtvis in i två kategorier: terpener (som ofta innehåller omättade ligandgrupper och elektronegativa syrefunktionella grupper) och nonterpener.
Olika tanniner (nonterpen), som naturligt syntetiseras av en mängd olika växter, är effektiva biocider när de kombineras med koppar- och zinksalter. Tanninerna kan flockas med en mängd olika katjoner, som sedan uppvisar antiseptiska egenskaper. Den mest effektiva naturliga biociden är 3,4-dihydroxibufa-20,22-dienolid, eller bufalin (en steroid av paddgift från Bufo vulgaris ), som är över 100 gånger effektivare än TBT för att förhindra biologisk förorening. Bufalin är dock dyrt. Några naturliga föreningar med enklare syntetiska vägar, såsom nikotinamid eller 2,5,6-tribromo-1-methylgramine (från Zoobotryon pellucidum ), har införlivats i patenterade antifoulingfärger.
En betydande nackdel med biomimetiska kemiska medel är deras blygsamma livslängd. Eftersom de naturliga biociderna måste lakas ut ur beläggningen för att vara effektiva är läckningshastigheten en nyckelparameter.
Där La är är den del av biociden som faktiskt frigörs (typiskt runt 0,7), är a viktandelen av den aktiva ingrediensen i biociden, DFT är den torra filmtjockleken, W a koncentrationen av den naturliga biociden i den våta färgen , SPG är den våta färgens specifika vikt och SVR är volymprocenten torr färg till våt färg.
Mimetik av hajskinn
En klass av biomimetiska antifouling-beläggningar är inspirerade av hajskinnets yta, som består av överlappande placoidfjäll i nanoskala som uppvisar parallella åsar som effektivt förhindrar hajar från att bli nedsmutsade även när de rör sig i låga hastigheter. Antifouling-egenskaperna hos de hajhudsinspirerade designerna verkar vara starkt beroende av det konstruerade grovhetsindexet (ERI).
Där r är Wenzel-råhetsförhållandet, n är antalet distinkta ytegenskaper i ytans utformning, och φ är areadelen av topparna av de distinkta ytegenskaperna. En helt slät yta skulle ha en ERI = 0.
Med hjälp av denna ekvation kan mängden mikropåväxtsporer per mm 2 modelleras. I likhet med faktisk hajhud visar den mönstrade naturen hos Sharklet AF mikrostrukturella skillnader i tre dimensioner med en motsvarande ERI på 9,5. Denna tredimensionella mönstrade skillnad ger en 77% minskning av sättningen av mikropåväxt. Andra konstgjorda icke-mönstrade grova ytor i nanoskala som cirkulära pelare med 2 μm diameter (ERI = 5,0) eller 2 μm breda åsar (ERI = 6,1) minskar nedsmutsningssättningen med 36 % respektive 31 %, medan en mer mönstrad yta består av av cirkulära pelare med 2 μm diameter och 10 μm liksidiga trianglar (ERI = 8,7) minskar sporsättningen med 58 %. Kontaktvinklarna som erhålls för hydrofoba ytor är direkt relaterade till ytjämnheter genom Wenzel - ekvationen.