השימוש בחומרים בהשראת ביולוגית כדי לשפר את חוסן הסטרקטי של חיל הנחתים

השימוש בחומרים בהשראת ביולוגית כדי לשפר את חוסן הסטרקטי של חיל הנחתים

סביבות הנחתים מציגות כמה מהתנאים התובעניים ביותר עבור מבנים מהונדסים.חשיפה מתמדת למים מלוחים, טמפרטורות מתחלפות, קרינת UV אינטנסיבית ו ⁇ ביולוגית ליצור סביבה קורוזית ומוחשת שמדרגת במהירות חומרים קונבנציונליים.

מאמר זה חוקר את האתגרים העומדים בפני תשתיות ימיות, בוחן כיצד עיצובי הטבע משוכפלים במעבדה, ומדגיש את החומרים המוערכים ביותר ביו-בעור והציפויים.זה גם מדבר על היתרונות, היישומים הנוכחיים, וכיוונים עתידיים של התחום המתפתח במהירות זו.המטרה היא לספק סקירה מקיפה של איך ביומיסימירי משנה את עמידות, קיימות, ועלות-יעילות של מבנים ימיים.

הבנת אתגרים ימיים: סביבת הפעלה של חרש

מבנים הפועלים בסביבה הימית – כולל אוניות, ממלכות נפט וגז בחו"ל, קרנות טורבינות רוח, צינורות תת-ימיים, מערכות הגנה לחוף ומתקני נמל – עומדים בפני חבילת מנגנונים הקשורים לשפל בין-ידי גורמים, כדי להעריך מדוע חומרים בעלי השראה ביולוגית כל כך מבטיחים, חיוני להבין תחילה את האתגרים המרכזיים שעליהם להתגבר עליהם.

קורוזיה במלח מים

מלח הוא אלקטרוליט אלקטרוליטה יוצא דופן.שילוב של כלורוריד, מתמוסס חמצן ו- pH משתנה מאיץ את קורוזיה אלקטרו-כימית של מתכות, במיוחד פלדה. Offshore מבנים יכול לאבד עובי משמעותי בתוך כמה שנים אם לא מוגן כראוי.אפילו פלדות אל-חלד המיוחסות מדי שנה מנפיחות ושחיתות תחת פיקדונות ביופוחיות.

Biofouling: The Unwanted Community

ביופולינג מתייחס להצטברות של מיקרואורגניזמים, צמחים, אצות ובעלי חיים על פני השטח המושקעים. בתוך שעות של סיבולת, ביופיל טפסים; בתוך ימים, אורגניזמים מקרו-מקרו-מסובינג כגון barnacles, mussels, ותולעים צינורית עדיין זקוקים לתוספת של חומרים (אך הם חמורים: עלייה באוניות (המניעה לצריכת דלק גבוהה יותר ופליטת גזי חממה), פגיעה היסטורית של מים נוזליים, אך גם כן, אך ורק על פני השטח העלולים תחת עומסי-מדומים, אך ורק על גבי חומרים נוגדי חמצון המבוססים על פני השטח המואץים, אך ורק על גבי חומרים נוגדי חמצון המבוססים על גבי חומרים נוגדי חמצון, אך ורק על גבי חומרים נוגדי חמצון).

מתח מכני והשפעה

מבנים ימיים חייבים לעמוד בפני עומס הגל, השפעה קרח, התנגשויות פסולת, ומוחש מחול ומשקעים. כוחות גלים על פלטפורמות offshore יכול להגיע אלפי טונות. אוניות ניסיון מתפתל, רטט ועייפות מפני טעינה חוזרת. צינורות תת-קרקעיים כפופים ללחץ פנימי וכוחות מחץ חיצוני עשויים לפצח, שבר, או דה תחת לחץ כזה, במיוחד כאשר נחלש על ידי קורוזיציה או תיקון עצמי חזק לאחר פגיעה קשה.

נהגים סביבתיים וכלכליים

ההתכנסות של אתגרים אלה מניעה עלויות תחזוקה גבוהות ומבצעיות.בעלים של הספינה מבלים מיליארדי דולרים מדי שנה על ניקוי יבש, ייבוש-docking, ושיקום. מפעילי Offshore עומדים בפני הוצאות גדולות דומות עבור בדיקות, תיקונים ותחליפים מבניים.יתר על כן, יש לחץ רגולטורי גובר להפחית את פליטות, לחסל כימיקלים רעילים, ולהרחיב את תוחלת החיים של נכסים.

חומרים בעלי השראה: הטבע כמודל

הטבע כבר פתר הרבה בעיות הנדסיות המכות מבנים ימיים.על פני אזורי זמן אבולוציוניים, אורגניזמים פיתחו חומרים וציפויים המתנגדים ל biofouling, self-repair, לדבוק מאוד מתחת למים, ולשלב כוח עם גמישות. מדענים ומהנדסים חוקרים את העיצובים הביולוגיים האלה ומשכפלים תכונות מפתח - לעתים קרובות במיקרו-או ננומטריות - כדי ליצור אנלוגיות סינתטיות.

Mussel-Inspired Coatings: תת-קרקעית Adhesion ו- Anti-Corrosion

מוסלס מפורסם ביכולתם לצרף בתקיפות סלעים, משחות ספינות, ומשטחים אחרים בתנאים סוערים, רטובים באמצעות חוטים ע"י דביקים.החלבונים הדבקים מכילים רמות גבוהות של חומצת האמינו 3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA), המספקים קשר חזק, עמיד למים, חוקרי פולימרים סינתטיים, המשלבים קבוצות מתכתיות וקטנות (Digitalsols) אפילו כדי ליצור קשר מתכתי מתכת באופן מלא.

יישומים עבור ציפויים בהשראת mussel במבנים ימיים הם רחבים טווח.הם יכולים לשמש כשכבות ראשיות עבור צבעי anticorrosion, מתן דבקות חזקה פלדה או אלומיניום hulls. כי פולימרים הם גמישים מבחינה כימית, הם יכולים להיות פונקציונליים עם תכונות נוספות, כגון פעילות מיקרוביאלית או אנטי-מפולנית.

קורל-כמו מבנים: פורי, גמיש, ו-Ec-Friendly

אלק אלמוגים הם פלאים של הנדסה ביולוגית: מבנים מורכבים, היררכיים בנוי מפחמי סידן המספק יחס חזק למשקל והתנגדות מצוינת להטעינה מחזורית.הפודות גם מאפשרת החלפת חומרים מזינים ומעודד חיים ימיים מועילים להתיישב - תכונה שניתן למנף כדי ליצור שוניות מלאכותיות ולא ביופולציה לא רצויה.

מהנדסים מעצבים כיום חומרים סינתטיים המחקים את הארכיטקטורה הפתוחה של אלמוגים.אלה יכולים להיות מודפסים תלת-ממדיים או להטיל באמצעות קרמיקה, פולימרים, או אפילו קצף מתכתי עם פורוזיות מבוקרת.כאשר הם פרוסים כמגינה מגן או אי-פיל מבני, חומרים דמויי אלמוגים יכולים להתפזר אנרגיה גל ראשוני, להפחית את כוחות ההשפעה ולספק גידול לאורגניזמים ימיים, ובכך לשפר את המגוון הביולוגי המקומי מאשר לשבש את הגישה האקולוגית של התעשייה המוקדמת של התעשייה האווירית של התעשייה האווירית של התעשייה, כאשר הם אלה, תוך כדי שמירה על פני השטח המשתנים, כאשר הם אלה, כאשר הם מתאימים לכדי שינוי המשתנים, כאשר הם אלה, כאשר הם אלה, כאשר הם מתאימים לכדי מקיפים את המשתנים, כאשר הם אלה, כאשר הם אלה, תוך כדי שמירה על פני השטח של מבנים ביולוגיים, כאשר הם פועלים על פני השטח של מבנים ביולוגיים, כאשר הם פועלים על פני השטח של מבנים ביולוגיים שונים, כאשר הם אלה, כאשר הם אלה, כאשר הם מתאימים לכדי מקיפים את המשתנים, כאשר הם זקוקים לכדי אורגניזמים ימיים, כאשר הם כוללים את המשתנים, כאשר הם כוללים את המשתנים, כמו גם את המשתנים, כאשר הם כוללים את המשתנים, כאשר הם כוללים את המשתנים, כאשר

דגים בינוניים: גמישות, הרס עצמי

סולם דגים הוא סיפור הצלחה אבולוציוני, המשלב גמישות עם התנגדות יוצאת דופן puncture.הקשקשים מורכבים משכבה חיצונית קשיחה, מינרלים (ganoine או enamel) ושכבה פנימית גמישה, קולגן עשירית עשירית. כאשר טורף מכה, הקשקשים חופפים ומפיצות מחדש את העומס, לעתים קרובות סדקים קטנים self-healing באמצעות מודלים פנימיים.

בהקשר הימי, חומרים מעוררי השראה דגים מפותחים עבור ציפויים מגן על עצמות הספינה, עורי כלי תת-ימי, וצנרת צינורות. אלה מרוכבים מעוותים יכולים לספוג השפעות מהריסות צף או קרח ללא עיוות קבוע, והם מתנגדים לסדקים סדקים או למשטח האחורי של קרמיקה, כמה עיצובים משלבים פולימרים מתפתלים עצמית, כאשר LT, שחרור כי הסוכנים מרפאים את הגמישות הגדלה של ה-F מאפשר גם את הגדלה של הגדלה של הגדלה של הגדלה של ה- 1F.

Nacre (אמא-of-Pearl) בהשראת Composites

Nacre, חומר iridecent נמצא פגזי Mollusk, ידוע על הקשיחות שלו - סדרי גודל גדול יותר מאשר המרכיבים העיקריים שלה (aragonite, מינרל מתפתל) הסוד שוכן במיקרו-מיקרו-מזרח "brick-and-mortar" שלו: טבליות מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות (bricks) מחוברות על ידי שכבה דקה של חלבון פולימרני (mortar) למנוע מסלולים סדקים אנרגיה.

מהנדסים יצרו אנלוגיות סינתטיות של נוקר באמצעות שכבות של כריות קשיחות לא אורגניות (למשל, אלומיניום, גרפן oxide) וקושרי פולימרים רכים (למשל, פוליוויניל אלכוהול, שיוטסאן) אלה מציגים כוח מורכב מעולה, קשיחות, והתנגדות השפעה, מה שהופך אותם אידיאלי לשימוש במבנים ימיים כי טעינה מחזורית ואפקטים מזדמנים מדי פעם יכול להיות כמו ציפויים של כדוריות, כמו לוחים חד-חמצני, כמו לוחים, או ציפויים, כמו לוחים מבטיחים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000.

Shark Skin Built Microtextures (Sharklet)

כרישים מסוגלים להתנגד biofouling למרות שאין להם שום סודיות אנטיביוטיקה העור שלהם מכוסה בקנה מידה זעיר, ribbed בשם דגניטיס, אשר יוצר דפוס משטח מעכב את ההתנחלות של אצות וברנקיות.המדנים גם להפחית את הציוד הנוזלי, מה שהופך את שחייה יעילה יותר.זה נתן השראה לפיתוח של משטחים מיקרוטקסטיריים, כגון המוצר המסחרי, המונעים פיזית כדי לצרף חומרים כימיים, כי הם בתחילה, כי הם מצמצם את הפחתת חומרים כימיים, למרות שמבוססים על ידי תכונות מכניות על ידי חומרים כימיים, כי הם רק על ידי חומרים כימיים, כי הם רק על ידי אורגניזמים קצרים, כי הם רק כדי למנוע את זה יכול להיות ממושכים, כי הם רק על ידי חיתוך חומרים כימיים מורכבים, כי הם רק על ידי אורגניזמים קטנים, על ידי אורגניזמים פגומים, על ידי אורגניזמים בודדים, כי הוא רק על ידי אורגניזמים קטנים יותר, על ידי אורגניזמים קטנים יותר, על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים קטנים, למרות שמבוססים על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים בודדים, על ידי אורגניזמים בודדים, כי הוא מנסה להפחית את זה עושה את זה

Barnacle Cement: Stronger Underwater Adhesives

ברנאקלס מייצרים מלט ייחודי שמקשה מתחת למים וקשרים באופן חד-משמעי כמעט לכל תת-קרקעי.המלט הוא תערובת חלבון מורכבת שמהווה שכבת דבקה, עצמית-המידה עצמית. החוקרים ניתחו את הרכב שלה והם מסננתנים המחקים שניתן להשתמש בהם כדי לתקן מבנים ימיים לשבת, אפילו כאשר רטובים כאלה יהיו בלתי-סבירים עבור חיישנים מתפתלים, או מנקה לעתים קרובות, חסומים, או מנקה, או מנקה לוחות זמנים מהירים יותר, ללא פתורים.

היתרונות של חומרים ימיים בהשראת

אימוץ של חומרים בהשראת ביולוגית מציע יתרונות טרנספורמטיביים עבור חוסן מבני ימי:

• (FLT:0) עידוד דוריות וארוכותיות: אנדרט 1:1 על ידי חיקוי מנגנונים טבעיים של קשיחות, הסתמכות עצמית, והתנגדות קורוזיה, חומרים אלה מרחיבים באופן משמעותי את חיי השירות של מבנים ימיים. לדוגמה, ציפויים נוקר השראה יכול להכפיל את הזמן בין מרווחי גומלין לפלטפורמות offshore, חיסכון של מיליוני בעלויות תחזוקה.
• (FLT:0) תחזוקת מחזור חיים עולה: ⁇ FLT:1 ציפוי עצמי מבטל את הצורך בבדיקות תכופות ותיקונים ידניים. משטחים לא להסתמך על ביוצידות להפחית את תדירות ניקוי הירכיים והייבוש עבור ספינות, להפחית ישירות הוצאות תפעוליות ולמטה.
• (FLT:0) אחריות משפטית: ⁇ 1 חומרים רבים בעלי השראה ביולוגית הם חומרים שאינם רעילים ו biodegradable. Mussel-inspired adhesivesives יכול להחליף ראשיים מבוססי-מתכת כבד; מרקמים עור כריש לחסל את הצורך בהנחיות נחושת או ביו-סידות אורגניות.
• (FLT:0) שיפור ביצועים: FLT:103) מרקמים עור כריש להפחית את גרר, המוביל חיסכון דלק פליטת גזי חממה נמוכה יותר. שריון דגים גמיש יכול לספוג השפעות ללא סדקים, שיפור הבטיחות עבור כלי רכב תת-קרקעיים ומבנים בחו"ל.
• (FLT:0) אינטגרציה אקולוגית: 1FLT חומרים דמויי אלמוג יכול להיות מתוכנן לטפח חיי ימיים מועילים, להפוך תשתיות לשוניות מלאכותיות.זה מתאים עם המגמה הגוברת של הנדסה ימית "ירוקה", שבו מבנים תומכים באופן פעיל במגוון ביולוגי ולא לזלזל בו.

יישומים נוכחיים ו- Real-World Case Studies

בעוד חומרים רבים בהשראת ביולוגי עדיין בשלב המחקר, כמה מהם עברו להדגמה מעשית או לשימוש מסחרי מוגבל:

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0)Sharklet microtextureFLT:1 הוחל על ספינות ניסיוניות hulls ו-buoys.משרד המחקר הימי של ארה"ב מממן ניסויים בקנה מידה גדול המציגים ירידה של 50% ביופוחיות לאחר 18 חודשים של טבילה, ללא ניכוי רעיל.
• (FLT:0)Nacre-inspired ComplexsveFLT:1) מפותחים כקווי הגנה עבור צינורות תת-ימיים. aconortium בראשות המכון Fraunhofer הפיק ציפוי צינור גמיש ורב-שכבתי המפחית את קורוזיה ואת הנזק, עם בדיקות שדה מתמשך בים הצפוני.
• (FLT:0Coral-like בטון בלוקים FLT:1) משמשים בפרויקטים הגנת החוף. בהולנד, הטכנולוגיה "ReefBlock" משלבת את הנפיחות האלמוגית-מימטית כדי לעודד גידול של צדסטר ועשב הים, תוך גם להגביר את אנרגיית הגל.
• (FLT:0)Fish-scale-inspired-RalLT:1) כבר אבטיפוס לשימוש בכלי רכב תת-ימיים אוטונומיים (AUVs) הפועלים ברדודים עם קרח והריסות.הכיסוי עצמיים קטנים, הרחבת משך המשימה מבלי לדרוש תיקון.

פרספקטיבה עתידית: אתגרים והזדמנויות

השילוב של חומרים בהשראת ביולוגית להנדסה ימית עדיין בחיתוליו, אבל המסלול מבטיח.המשך ההתקדמות ב nanoטכנולוגיה, ייצור תוספים (3D הדפסה), ומודלים חישוביים מאיצים את העיצוב והבדיקה של חומרים אלה.

אתגרים מרכזיים לOvercome

• (FLT:0) של איכות ועלויות:FLT:1Building nanoscale מבנים על פני שטח גדול (למשל, ספינת שלמה hull) נשאר יקר.
• (FLT:0) תקופת האימות: FIRLT:1 , רוב הבדיקות נערכו במשך חודשים או כמה שנים.הגמישות האמיתית של חומרים בהשראת ביו-שעור תחת עשרות שנים של חשיפה ימית יש לבדוק באמצעות ניסויים ארוכי טווח.
• (FLT:0) גידול עם תשתית קיימת: קיד 1) , החלת ציפויים ביו בהשראת מבנים קיימים יכול להיות מאתגר עקב תנאי פני השטח, טמפרטורה ולחות. Adhesivesives חייב לעבוד על גיל, מכוערת substrates.
• הערכה לבטיחות סביבתית: FLT:0 [ההערכה] בטיחות סביבתית: בעוד חומרים רבים בעלי השראה ביולוגית נמנעים מביוצידס רעיל, ההשפעה הסביבתית של כימאים פולימרים חדשים או חלקיקים יש להעריך באופן מלא לפני פריסה בקנה מידה גדול.

המונחים: Research Directions

• (FLT:0) חיישנים ו- Actuators:FLT:1 חומרים מעוררי השראה עתידיים יכול להיות מוטבע עם אלמנטים ⁇ אומיים או מכנינוכמיים שמצביעים על נזק או מתח, מחקים את התחושה של רקמת חיה.
• (FLT:0)Multi-Functional Coatings:BuildFLT) 1 משלב מספר השראה ביולוגית מובהקת בחומר יחיד - למשל, דבקות מולקול + microtexture עור כריש + נוקשות nacre - יכול להניב את הציפוי הימי האולטימטיבי.
• (FLT:0) חומרים חיים:00 (FLT:1) שילוב של מיקרואורגניזמים חיים (למשל, חיידקים שמקדמים פחמן פחמן פחמן) לחומרים מבניים יכולים לאפשר לרספי עצמי והגדרה עצמית.זהו שדה מתפתח המכונה "חומרי חיים מעובדים" (אלמרס), שיש לו פוטנציאל למבני דינמית המתאימים לשינויים או ללחצים.

מסקנה

הטבע בילה את החומרים והמשטחים המושלמים של חומרים ומשטחים שעומדים בפני הסביבה הימית הקשה ביותר.על ידי למידה מן הנטיות הדבקות של הזיהומים, שריון המגן של סולמות דגים, ההתנגדות של nacre, וההתנגדות המטורפת של העור הכריש, המדענים מפתחים דור חדש של חומרים עמידים, יציבים, יעילים ובעלים לתשתית ימית, בעוד אתגרים ידידותיים, והופכים לעדיפות גבוהה יותר, לעיסוקים, אך לא רק לעיסוקים, להשפעות סביבתיות, להשפעות סביבתיות, אך גבוהות יותר, אך גבוהות יותר, אך ורק על פני השטח, הן יכולות לעיסוקים, הן יכולות לצפות, לעיסוקים, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, להשפעות גבוהות יותר, על פני השטחיות, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על פני השטח, על ידי שיפור יעילות, על ידי שיפור יעילות, על ידי שיפור יעילות גבוהה יותר, אך ורק על ידי שיפור יעילות גבוהה יותר, על ידי שיפור יעילות גבוהה יותר, על ידי שיפור יעילות גבוהה יותר, על ידי שיפור ביצועים קצרים יותר, אך ורק על ידי