گرافن، یک لایه واحد از اتم های کربن که در یک شبکه هیکساگونال قرار گرفته است، علم مواد را با قدرت مکانیکی استثنایی، هدایت الکتریکی و ناتوانی آن در طی یک دهه گذشته، محققان و مهندسان پتانسیل خود را در محیط های دریایی، به ویژه برای پوشش های ضدعفونی کننده، کشف کرده اند.این پوشش های پیشرفته مبتنی بر گرافن یک جایگزین امیدوار کننده برای بهبود عملکرد سنتی رنگ زیستی، در حالی که عملکرد عملیاتی و آسیب پذیری کشتی را کاهش می دهد.

درک نیروی دریایی و چالش های آن

زباله دریایی تجمع ناخواسته ارگانیسم های آبزی را توصیف می کند - مانند جلبک، انبارها، صدف ها و کرم های لوله - در سطوح غرق شده، از جمله بدنه کشتی، سیستم عامل های دریایی و زیرساخت های دریایی، این شهرک زیستی یک سطح خشن ایجاد می کند که به طور قابل توجهی باعث افزایش هیدروودینامیک، منجر به مصرف سوخت بالاتر و انتشار گازهای گلخانه ای می شود.

فراتر از هزینه های اقتصادی، خطا خوردگی را با به دام انداختن رطوبت و ایجاد محیط های کوچک محلی تسریع می کند.مخش های ضدخش سنتی به بیوکوید هایی مانند tributyltin (که در حال حاضر در اکثر کشورها ممنوع است) یا ترکیبات مبتنی بر مس برای کشتن ارگانیسم های حل و فصل مواد، با این حال، این سموم به آب، آسیب رساندن به گونه های غیر هدفمند و انباشت در رسوب، از جمله دستورالعمل های زیست محیطی زیست محیطی، و دستورالعمل های زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی زیست محیطی هدایت می کنند.

چگونه گرافن به نیروی دریایی Fouling

خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد گرافن آن را یک بلوک ساختمان ایده آل برای نسل بعدی پوشش های ضدعفونی کننده ایجاد می کند، ساختار دو بعدی آن یک مانع تقریبا غیر قابل درک برای گازهای و مایعات ایجاد می کند، جلوگیری از حمل و نقل آب و مواد مغذی که میکروارگانیسم ها نیاز به اتصال و رشد دارند.علاوه بر این، مشتقات گرافن عملکردی - مانند گرافن اکسید (GO) و گرافن کاهش فعالیت زیست محیطی - می تواند باعث اختلال در سلول های سلول های سلول های طبیعی شود.

به طور مکانیکی، گرافن تقویت می کند، و منجر به پوشش هایی می شود که سخت تر، مقاوم تر از حد خراشیده تر و کمتر مستعد ابتلا به توهم هستند، این دوام به ویژه در محیط های دریایی خشن ارزشمند است که پوشش ها باید بدون استفاده از جریان آب، ذرات معلق و فرآیندهای تمیز کننده دائمی مقاومت کنند.

نوآوری در پوشش های مبتنی بر گرافن

افزایش خواص موانع

یکی از مستقیم ترین کاربردهای گرافن در ضدعفونی کردن استفاده از آن به عنوان یک لایه مانع است، هنگامی که به طور یکنواخت در یک ماتریس پوشش پراکنده شده است، نانوپلکسن یک مسیر بی نظیر برای مولکول های پراکنده ایجاد می کند، این به طور چشمگیری کاهش آب و اکسیژن را کاهش می دهد، ارگانیسم های وابسته به رطوبت و مواد مغذی اخیر نشان داده اند که حتی کوچک تر از گرافن (2٪ کاهش می تواند آب را با کاهش دهد.

اثرات ضد میکروبی و ضد توقف

گرافن عملکردی با دیواره های سلولی باکتری و آلوگل از طریق تجزیه و تحلیل فیزیکی، استرس اکسیداتیو و انتقال شارژ تعامل دارد. گرافن اکسید نانوت، به عنوان مثال، می تواند گونه های اکسیژن واکنشی (ROS) را تحت نور خورشید تولید کند، ارائه یک مکانیسم تمیز کننده خود را، این فعالیت عکسودینامیک نه تنها جلوگیری از خطا، بلکه همچنین آلاینده های آلی را کاهش می دهد، نیاز به تمیز کردن دستی در قفسه های مناسب در نوار حل و فصل ثابت شده است.

Superhydrophobic و Self-Cleaning Surfaces

با الهام از اثر برگ لوتوس، مهندسان گرافن را با پلیمرهای هیدروفوبیک ترکیب می کنند (به عنوان مثال، فلورئوپلیپلیپلیم ها یا سیلیکون) برای ایجاد سطوح با زاویه تماس بسیار بالا آب (150 درجه) در این سطوح ابر هیدروفوبیک، قطر آب بالا و رول، حمل اس اس و میکروارگانیسم ها قبل از اینکه آنها بتوانند به طور جدی گرافت مکانیکی را اضافه کنند، بسیاری از بافت های ظریف را بهبود می دهد.

فرمول های غیر دوستانه، غیر توکسیک

شاید مهم ترین نوآوری، حرکت به سمت مکانیسم های فیزیکی ضدعفونی کننده است که نیاز به بیکارهای زیستی قابل تشخیص را از بین می برد. پوشش های مبتنی بر گرافن می توانند به تنهایی به خواص سطح خود تکیه کنند تا از چسبندگی ارگانیسم جلوگیری کنند و آنها را به طور ذاتی برای اکوسیستم های دریایی امن تر می کنند. برخی از فرمول ها شامل مواد افزودنی های طبیعی مانند chito یا روغن های ضروری برای افزایش اثربخشی بدون معرفی این آزمایش های دائمی پوشش های سبز هستند.

تحقیقات اخیر و توسعه

سرعت نوآوری در پوشش های ضدعفونی کننده گرافن طی پنج سال گذشته تسریع شده است.

  • ] Graphene- کامپوزیت پوشش که ترکیبی از انعطاف پذیری با قدرت چسبندگی بالا، مناسب برای هر دو بدنه سفت و سخت و ساختارهای انعطاف پذیر مانند کابل های زیر آب، مطالعه 2023 منتشر شده در Progress در پوشش ارگانیک [ گزارش داد که یک کامپوزیت پلی اتیلن - کامپوزیت کامپوزیت پس از 12 ماه قرار گرفتن در معرض آلودگی آن حفظ شده است.
  • لاایر-به لایه [FLT 1] از اکسید گرافن و پلی الکترولیتات که بارهای سطح تنبل ایجاد می کنند، هر دو سلول های میکروبی مثبت و منفی را دفع می کنند.
  • [Graphene - هیبریدی اکسید فلز (به عنوان مثال، گرافن - تیتانیومium دی اکسید) که ترکیب ضدعفونی با خود تمیز کردن عکس به صورت خودکار زیر نور خورشید، این پوشش ها را از بین می برد فیلم های آلی و کشتن باکتری های طرفدار، ارائه یک مکانیسم دوگانه.
  • روش های تولید در مقیاس بزرگ مانند لایه برداری الکتروشیمیایی و پراکندگی هلی کوپتر کیفیت و سازگاری مواد افزودنی گرافن را بهبود بخشیده است، کاهش هزینه ها از هزاران به صدها دلار در هر کیلوگرم - هنوز هم بالا برای رنگ های دریایی اما روند نزولی.

چندین گروه تحقیقاتی و شرکت ها این تلاش ها را رهبری می کنند، به عنوان مثال، پروژه پرچم گرافن (Graphene) در اروپا چندین مجوز را برای پوشش های دریایی تامین کرده است ( پرچم گذاری [FLT1] و [FLT3] در ایالات متحده، دفتر تحقیقات دریایی از مطالعات در گرافن پشتیبانی کرده است - نانوسیمیک ([F2] شرکت های تحقیقاتی خصوصی [F2]

مزایای زیست محیطی و اقتصادی

تعویض به پوشش های ضدعفونی کننده گرافن می تواند دستاوردهای قابل توجهی از محیط زیست و مالی را با کاهش کشش، کشتی ها می توانند سوخت کمتری بسوزند، انتشار CO2 و هزینه های عملیاتی را کاهش دهد.یک درصد کاهش در شدت بدنه از آسیب های موثر ضدعفونی کننده می تواند مصرف سوخت را تا 2٪ کاهش دهد - یک تاثیر قابل توجه با توجه به لایحه سوخت سالانه ناوگان جهانی، علاوه، از بین بردن بار زیست، کاهش اکوسیستم های دریایی و آب های سنگین در آن.

پوشش گرافن همچنین فواصل بین نگهداری خشک و خشک را گسترش می دهد، صرفه جویی در زمان و پول سنتی ضد تشنج اغلب نیاز به استفاده مجدد هر 2 تا 4 سال دارد، در حالی که داده های اولیه آزمایشگاهی نشان می دهد کامپوزیت گرافن می تواند برای 5 تا 7 سال یا بیشتر موثر باشد.

چالش ها و مقیاس پذیری

علی رغم نتایج امیدوار کننده، چندین مانع قبل از پوشش های ضدعفونی کننده گرافن باقی مانده است که اصلی ترین آنها (FLT:0) پراکندگی فرم است. گرافن تمایل به جذب شدن در مایع مایع، کاهش مانع و عملکرد مکانیکی آن دارد.

یک مانع دیگر است.در حالی که قیمت تولید گرافن کاهش یافته است، گرافن با کیفیت بالا هنوز به طور قابل توجهی بیشتر از مواد افزودنی ضدعفونی کننده سنتی هزینه می کند، زیرا بارگذاری بسیار کم (0.1-1٪ موثر است، افزایش کلی پوشش قیمت قابل مدیریت است - به ویژه هنگامی که عامل چرخه عمر در تکنیک های تولید و کاهش قیمت ها انتظار می رود.

] دوام طولانی مدت در شرایط دریایی در دنیای واقعی هنوز در مقیاس اثبات نشده است. آزمایشات آزمایشگاهی ممکن است به طور کامل ترکیب اشعه UV، اسپری نمک، abrasion و فعالیت بیولوژیکی را در سراسر آب و هوای متنوع و فصول گزارش تدریجی از دست دادن فوق العاده هیدروفوبیک پس از ماه های غوطه وری، بازسازی سطح بیشتر استراتژی های بازسازی.

در نهایت، [FLT 1] برای مواد جدید می تواند کند باشد.اگر چه گرافن به عنوان یک بیوکورید طبقه بندی نمی شود زمانی که صرفا به صورت فیزیکی استفاده می شود، مقامات هنوز هم ممکن است نیاز به ارزیابی اثرات زیست محیطی داشته باشند. پروتکل های تست هماهنگ شده توسط سازمان هایی مانند آژانس شیمیایی اروپا (ECHA) و OECD برای ارزیابی ساده پوشش نانو.

آینده چشم انداز آینده

مسیر تحقیق گرافن در ضدعفونی دریایی روشن است: از اثبات مفهوم به محصولات عملی، مقیاس پذیر، در دهه آینده، ما می توانیم انتظار داشته باشیم که پوشش های تجاری گرافن-ننس قابل دسترس برای طیف وسیعی از کشتی ها را ببینیم - از صنایع کوچک لذت گرفته تا سوپر مخازن، سیستم های هیبریدی که گرافن را با سایر مواد 2D ترکیب می کنند (در این کار باعث می شود که از عملکرد پلیمر یا حتی پلیمر های الهام گرفته شده باشد).

ابزارهای دیجیتال، مانند بهینه سازی یادگیری ماشین از فرمول های کامپوزیت و تست های تسریع شده پیری، سرعت توسعه را افزایش می دهند، در همین حال، همکاری های بین المللی مانند شرکت های GloFouling IMO برای فن آوری های سبز تر ضدعفونی کننده در سراسر جهان، پوشش های مبتنی بر گرافن کاملا با این اهداف پایداری، امیدوار کننده برای محافظت از هر دو کشتی و اقیانوس که آنها ملوانان.

در سال های آینده، نوآوری بر کاهش اصطکاک بیشتر، قادر به بهبود خواص خود و توسعه روش های کاربردی مناسب برای زیرساخت های موجود کشتی سازی تمرکز خواهد کرد، زیرا این چالش ها حل شده است، پوشش های ضدعفونی گرافن برای تبدیل شدن به یک ابزار استاندارد در عملیات دریایی پایدار، ارائه مزایای اقتصادی قابل اندازه گیری و زیست محیطی قابل اندازه گیری در سراسر صنعت حمل و نقل جهانی تنظیم شده است.