Table of Contents

Почему морские поверхности должны отклонять воду

Морская среда налагает неустанные штрафы на каждую погруженную структуру. Корпуса судов, корпуса датчиков, морские платформенные ножки и подводные кабели страдают от гидродинамического сопротивления, которое заставляет суда сжигать значительно больше топлива; биообрастание, при котором ракушки, водоросли и слои слизи колонизируют поверхности, добавляя вес и нарушая поток; и коррозия, вызванная прямым контактом соленой воды и незащищенных металлов. Эти штрафы происходят от одной и той же первопричины: вода цепляется за поверхность. Способность инженерных поверхностей, которые отталкивают воду, даже при полном погружении при различных давлениях и скоростях потока, стала главным приоритетом в морской материаловедении. Вместо того, чтобы изобретать совершенно новые конструкции поверхности, которые эволюция уже усовершенствовала. Заимствуя принципы из листьев лотоса, кожи акулы, водных папоротников, почвенных пружин и даже водных страйдеров, ученые и инженеры создают синтетические покрытия, которые фундаментально меняют то, как морские транспортные средства и инфраструктура взаимодействуют с водой

Понимание физики водоотталкивающей способности

Гидрофобность описывает тенденцию поверхности отталкивать жидкую воду. На идеально ровной поверхности внутренняя смачиваемость определяется поверхностной энергией. Высокоэнергетические поверхности, такие как металлы и стекло, заставляют воду распространяться в тонкую пленку, давая низкий угол контакта. Поверхности с низкой энергией, такие как фторполимеры и силиконы, заставляют воду скапливаться, производя углы контакта выше 90 градусов. Биология достигает гораздо более впечатляющих результатов, при этом многие естественные поверхности превышают 150 градусов - состояние, известное как супергидрофобность, которое не может быть достигнуто только химией; это требует физической текстуры на микро- и наноуровне.

Ключевой принцип - это состояние смачивания Касси-Бакстера. Когда капля воды покоится на грубой гидрофобной поверхности, воздух попадает в полость под капелькой. Капля контактирует только с пиками текстуры, с композитным твердо-воздушным интерфейсом под капелькой. Это минимизирует контакт твердой жидкости и максимизирует контакт жидкого воздуха, резко уменьшая адгезию. Капли образуют ближние сферы и откатываются при малейшем наклоне, собирая загрязняющие вещества по мере их прохождения. В морском контексте поддержание этого захваченного воздушного слоя - называемого пластроном - имеет решающее значение. Пластрон сохраняет растворенные соли, коррозионные электролиты и первые микроскопические колонизаторы биообрастания физически отделены от твердой поверхности. Тем не менее, здесь самая большая проблема. Под гидростатическим давлением от погружения и динамического давления от потока, воздушный слой склонен к коллапсу. Вода прокладывает себе путь в полости, состояние Касси-Бакстера переходит в состояние Вензеля, где поверхность полностью сма

Расшифровка чертежей природы для водоотталкивания

Прежде чем синтетическое покрытие может быть спроектировано, биологическая поверхность должна быть тщательно охарактеризована, чтобы определить, какие структурные особенности ответственны за наблюдаемое поведение смачивания.Несколько организмов появились в качестве особенно поучительных шаблонов, каждый из которых решает несколько другой аспект проблемы водоотталкивания.

Листовая лотоса и самоочищающиеся поверхности

Знаменитое свойство самоочищения лотоса (]Nelumbo nucifera) вдохновило сотни синтетических покрытий. Поверхность листа покрыта микромасштабными сосочками, обычно 5-10 микрометров в высоту и расстояние, и эти сосочки сами покрыты плотным слоем наноразмерных восковых кристаллов. Результатом является иерархическая шероховатость на двух различных шкалах длины. Капли воды достигают углов контакта выше 160 градусов и углов скатывания ниже 5 градусов. Как капелька скатывается, она собирает пыль, споры и другие частицы, очищая лист не более чем дождевой водой. «эффект лотоса» продемонстрировал, что супергидрофобность может быть сконструирована путем объединения химии с низкой поверхностной энергией с двухмасштабной шероховатостью. Однако, перевод этого на морское покрытие оказался трудным. Более критически, лист лотоса предназначен для отталкивания капель дождя в воздухе, а не для того, чтобы противостоять погружению.

Кожа акулы и сокращение вылова через скафандры

Быстроплавающие акулы, такие как мако и большой белый, не являются супергидрофобными в смысле Касси-Бакстера. Их кожа оптимизирована для другой цели: уменьшение гидродинамического сопротивления в турбулентном пограничном слое. Дермальные дентили, крошечные зубчатые чешуйки, которые покрывают тело, имеют продольные канавки, называемые риблетами, которые точно выравниваются с направлением потока. Эти риблеты, как правило, 30–100 микрометров в ширину и глубину, уменьшают турбулентное напряжение сдвига, поднимая вязкие вихри, которые образуются в вязком подслое, от поверхности. Эффект заключается в уменьшении кожно-фрикционного сопротивления до 10 процентов в лабораторных испытаниях. Важным вторичным преимуществом является то, что та же микротекстура препятствует биообрастанию. Личинки ракушек и споры водорослей изо всех сил прикрепляются к поверхности, покрытой острыми, близко расположенными гребнями, потому что область контакта для клеевых выделен

Парадокс Сальвинии: ловля воздуха под водой

Плавающий папоротник Salvinia molesta решает проблему, которую не может решить лотос: он удерживает стабильный, стойкий слой воздуха на своей поверхности листа даже при принудительном погружении. Это известно как эффект Salvinia. Лист покрыт сложными, многоклеточными волосками, которые гидрофобны на большей части своей длины, но имеют небольшие гидрофильные кончики. Общая гидрофобная поверхность предотвращает затопление пространства между волосами, позволяя захватывать воздух. Гидрофильные кончики выполняют критическую функцию: они зажимают интерфейс воздух-вода, предотвращая разрушение пластрона под гидростатическим давлением. Захваченный слой воздуха может сохраняться в течение нескольких недель, обеспечивая кислород для дыхания растения под водой и способствуя его плавучести. «Парадокс Salvinia» заключается в том, что поверхность имеет пространственно узорную смачиваемость, сочетая гидрофобные и гидрофильные домены в точном расположении. Синтетические поверхности, вдохновленные Salvinia [

Спрингтейл кожа и омнифобия под давлением

Почвенные хвосты отряда Collembola сталкиваются с необычной проблемой смачивания. Они живут в почве, которая может быть затоплена водой, и они также должны противостоять смачиванию жидкостями низкого поверхностного давления, такими как этанол и другие органические соединения, присутствующие в разлагающемся органическом веществе. Их кутикула развила текстуру, которая достигает всеядности. Их поверхность имеет гребнеобразные свесы и впадающие полости. Когда жидкий мениск пытается проникнуть, он сталкивается с геометрией, которая заставляет его изгибаться наружу, создавая отрицательное капиллярное давление, которое сопротивляется проникновению. Даже при повышенных давлениях жидкость не может затопить полости. При погружении в воду эти наноструктуры образуют пластрон, который спрингтейл использует в качестве физической жабры для дыхания в затопленной почве. Это входящая геометрия теперь активно интегрируется в морские конструкции покрытий. Преимущество перед простыми столбами или риблетами заключается в том, что входящие в состав элементы могут отталкивать загрязняющие вещества

Водяные страйдерские ноги и мениска Пиннинг

Водяной стридер (]Gerridae) может ходить по воде, потому что его ноги покрыты плотными массивами микроскопических волосков (setae) с наноразмерными канавками. Эта иерархическая текстура захватывает воздух и делает ногу супергидрофобной, с углами контакта до 170 градусов. Захваченный воздушный слой также обеспечивает плавучесть и предотвращает проникновение ноги в водную поверхность. Конструкция водяного стридера вдохновляет плавающих роботов и мелкомасштабных морских судов, но ее принципы также применимы к более крупным поверхностям, которые должны противостоять смачиванию в динамических условиях. Ключевой урок заключается в том, что иерархическая структура в сочетании с восковой химией производит надежный пластрон, который может противостоять силам мениска, создаваемым ногой, дающей давление в воду. Для морских покрытий это усиливает важность иерархии: структуры, которые охватывают многократные длинные шкалы, более устойчивы к коллапсу пластрона под колебательным

От биологического шаблона до инженерного покрытия

Перевод сложных трехмерных топографий биологических поверхностей в синтетические материалы, которые могут быть изготовлены в масштабе, требует сочетания точного изготовления, интеллектуального выбора материала и надежного проектирования. Инженеры собрали растущий набор методов для достижения этой цели.

Методы изготовления иерархических текстур

Несколько методов используются для создания микро- и наноструктур, необходимых для био-вдохновляемой гидрофобности. Фемтосекундная лазерная микрообработка может непосредственно стирать орнаменты, подобные акульей коже, на металлические, полимерные и керамические поверхности с точностью до микрона, и она может покрывать участки площадью в несколько квадратных метров в час. Фотолитография и травление, заимствованные из полупроводниковой промышленности, производят высокоупорядоченные массивы колонн с контролируемыми соотношениями сторон, подходящие для восковых кристаллов Salvinia. Обработка Sol-gel создает наноструктурированные кремнеземные или титановые покрытия, которые имитируют восковые кристаллы лотоса, с тем преимуществом, что химия может быть настроена путем добавления фторированных или углеводородных силанов. Электроспиннинг производит нетканые фиброзные маты, которые напоминают соски листа лотоса в текстуре, и эти маты могут быть изготовлены из широкого спектра полимеров. Наночастицы осаждения или окунания на поверхность - это

Химическая функционализация и альтернативы ПФАС

Одной лишь текстуры недостаточно; химия поверхности должна быть достаточно низкой энергией для поддержки состояния Касси-Бакстера. Исторически это означало применение фторированных соединений, таких как фторированные силаны или перфторполиэтеры, которые имеют одну из самых низких известных поверхностных энергий. Однако растущее нормативное давление - особенно предложенные Европейским химическим агентством ограничения на безфторилкильные вещества (PFAS) - приводит к быстрому переходу к альтернативам, не содержащим фтора. Силаны на основе углеводородов обеспечивают умеренную гидрофобность, но быстрее деградируют при воздействии ультрафиолета и биологической атаке. Полидиметилсилоксановые (PDMS) эластомеры обеспечивают низкую поверхностную энергию, гибкость и хорошую адгезию ко многим субстратам. Формулы на основе силикона становятся предпочтительной матрицей для био-вдохновленных морских покрытий, поскольку они могут быть загружены наночастицами или микрочастицами для создания необходимой текстуры при сохранении низкой поверхностной энергии. Нанокристаллы целлюлозы, функционализированные алкилсилами,

Гибридные архитектуры, сочетающие в себе множество идей

Наиболее удачными морскими покрытиями являются не чистые копии одной биологической поверхности, а гибридные конструкции, которые сливают элементы из нескольких организмов. Перспективная композитная архитектура соединяет микростолбы в стиле сальвинии с гипертекстурой риблет акульей кожи на жесткой эпоксидно-резиновой основе. Столбы улавливают и стабилизируют воздушный пластрон под давлением, в то время как риблеты обеспечивают уменьшение сопротивления, контролируя турбулентный пограничный слой. Столбы также механически усиливают риблеты, предотвращая их сплющивание сдвигающим потоком. Самоподобные иерархические структуры, где повреждение микромасштабных особенностей обнажает свежую наномасштабную текстуру под ним, могут задержать начало смачивания. Некоторые исследовательские группы встраивают резервуары низкоповерхностного энергетического масла, такие как масло PDMS или силиконовое масло, в пористую матрицу. Когда поверхность царапается, масло выскакивает и покрывает поврежденную область, восстанавливая гидрофобность

Измеренные показатели эффективности в морских применениях

Переход от лабораторных прототипов к эксплуатационным морским покрытиям позволил получить реальные данные, подтверждающие преимущества, предсказанные теорией и небольшими экспериментами.

Снижение расхода топлива на корпусах коммерческих судов

Топливо является единственным крупнейшим эксплуатационным расходом для коммерческих перевозок, на который приходится 30-50% от общих затрат на плавание. Даже частичное сокращение лобового сопротивления приводит к значительной финансовой и экологической экономии на большом флоте. Основная демонстрация была проведена Институтом Фраунгофера по технологии производства и усовершенствованным материалам, который применил ленточную пленку к корпусу контейнеровоза. Пленка, сделанная из полиуретанового материала с точно формованными размерами канавки, была применена к плоскому дну и трюмным областям. В течение 12-месячного испытания на трансокеанических маршрутах судно достигло 3-5-процентного снижения расхода топлива, непосредственно связанного с текстурой риблеты (] Результаты полевых испытаний риблеты Фраунгофера IFAM. Супергидрофобные поверхности, которые поддерживают стабильный воздушный пластрон, продемонстрировали сокращение лобового сопротивления до 30 процентов в лабораторных условиях, но масштабирование этого до полных корпусов судов в реальных морских условиях остается сложной задачей. воздушный слой имеет тенденцию быть удален волновым действием, ударными нагрузка

Сохранение характеристик датчика на автономных подводных транспортных средствах

Автономные подводные аппараты и подводные планеры полагаются на оптические и акустические датчики для сбора океанографических данных. Биопулирование на сенсорных окнах и корпусах ухудшает качество сигнала и сокращает полезное время развертывания. Было показано, что прозрачное супергидрофобное покрытие, применяемое к акриловым или стеклянным окнам датчика глубины проводимости и температуры, снижает адсорбцию белка и задерживает поселение личинок ракушек. В полевых испытаниях у побережья Калифорнии датчики, оснащенные фторированным покрытием из кремнезема, оставались читаемыми в течение 30 дней по сравнению с 7 днями для непокрытого управления. Подводные планеры, которые используют крылья для преобразования вертикального движения в скользящий вперед композиционный покрытие, получают выгоду от риблет-гидрофобных композитных покрытий. Снижение сопротивления позволяет им путешествовать дальше по каждому циклу батареи, увеличивая выносливость миссии на 15 процентов. Для планеров, которые профилируют колонну воды в течение нескольких месяцев за один раз, это напрямую приводит к увеличению данных, собранных за развертывание и снижение

Защита оффшорных структур от коррозии и загрязнения

Стальные куртки для морских ветровых турбин и нефтегазовых платформ подвергаются наиболее агрессивным условиям в зоне брызг, где циклическое смачивание и сушка, УФ-экспозиция и высокая доступность кислорода приводят к быстрой коррозии. Морской рост, особенно мидии и ракушки, может добавить сотни тонн массы к платформе, увеличивая волновую нагрузку и уменьшая срок службы усталости сварных швов и соединений. Покрытия для захвата воздуха, полученные из конструкции Salvinia, были применены к секциям монопилов в нескольких пилотных проектах в Северном море. Пойманный воздушный пластрон действует как барьер для диффузии кислорода, замедляя скорость коррозии в три раза по сравнению с незащищенной сталью. То же покрытие препятствует прикреплению мидий, потому что мидии не могут образовывать брызговые нити на поверхности, покрытой стабильным воздушным слоем. В течение двух ежегодных циклов проверки монопилы с покрытием показали 40-процентное снижение массы биообрастания и 60-процентное снижение локализованной

Преодоление барьеров для широкого усыновления

Несмотря на убедительные лабораторные и полевые результаты, морские покрытия, вдохновленные биологическими свойствами, еще не стали стандартным вариантом для верфей и морских операторов. Для достижения коммерческой зрелости необходимо решить ряд взаимосвязанных проблем.

Механическая долговечность и долгосрочная стабильность

Наиболее фундаментальным требованием для любого морского покрытия является то, что оно должно выдерживать механические требования своей рабочей среды. Корпус судна истирается при контакте с доками, буксирами, плавающим мусором и осадком на мелководье. Он периодически очищается щеткой или водяной струей для удаления фоулинга. Гидродинамические сдвиговые напряжения могут превышать 100 Паскалей в носу быстро движущегося судна. Большинство супергидрофобных текстур механически слабы; микромасштабные столбы отрываются, наномасштабные восковые кристаллы стираются, а наночастицы стираются. Как только поверхность царапается, вода разрушается в прилегающей области и затопляет прилегающие полости, в результате чего пластрон разрушается на гораздо большей площади, чем сама царапина. Исследователи решают эту проблему, развивая иерархические структуры, которые сохраняют некоторую гидрофобность даже после частичного износа. Если текстура охватывает несколько длинных шкал, повреждение самых маленьких элементов все еще оставляет субмикрометровые или микрометровые функции. Встраивание самовосстан

Экологическая безопасность и нормативное соблюдение

Ранняя зависимость от фторированных соединений для химии с низкой поверхностной энергией в настоящее время является значительной ответственностью. Перфтороктановая кислота и связанные с ней соединения PFAS являются стойкими в окружающей среде, биоаккумулируются в пищевых цепях и связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья. Европейское химическое агентство и Агентство по охране окружающей среды США предложили строгие ограничения на производство и использование PFAS, что сделает многие ранние рецептуры супергидрофобного покрытия не соответствующими требованиям. Переход к альтернативам без фтора, таким как силиконовые эластомеры, углеводородные воски и полимеры на биооснове, ускоряется. Однако наночастицы, часто используемые для создания текстуры, такие как кремний, титан или оксид цинка, требуют тщательной токсикологической оценки. Носить частицы, выпущенные в колонку воды, должны быть не токсичными для морских организмов, или их скорости высвобождения должны быть достаточно низкими, чтобы поддерживать концентрации ниже экотоксикологических порогов. Регулирующие рамки, такие как Регламент ЕС по биоцидным продуктам и Федеральный закон США о био

Масштабируемость и экономическая жизнеспособность

Применение нанотекстурированного покрытия к корпусу 400-метрового контейнерного судна или плавающей производственной платформы хранения и разгрузки не тривиально. Процесс нанесения должен быть быстрым, воспроизводимым и совместимым с существующими рабочими процессами верфи. Методы нанесения покрытия, которые откладывают подвеску гидрофобных наночастиц в связующей смоле, являются наиболее масштабируемыми, поскольку они могут применяться со стандартным оборудованием для краски. Для изготовления на верфи с большой площадью было продемонстрировано тиснение пленок с помощью клеевой поддержки, похожей на тонирование окон. Капитальные инвестиции, необходимые для модернизации верфи с помощью штамповки или УФ-отверждения оборудования, являются существенными, но экономическое моделирование указывает, что покрытие, обеспечивающее 5-процентную экономию топлива и длительность полного 5-летнего интервала сухой доки, окупит стоимость применения в течение 2-3 лет эксплуатации. Для большого контейнеровоза, сжигающего топливо на 50 000 долларов США в день, экономия составляет 2 500 долларов США в день или более 900 000 долларов США в год. Экономический

Следующее поколение: адаптивные и интеллектуальные покрытия

Заглядывая за пределы нынешнего поколения пассивных био-вдохновленных покрытий, исследования движутся в направлении активных, адаптивных и разработанных с помощью искусственного интеллекта поверхностей.

Самоисцеляющие и стимул-чувствительные поверхности

Интеграция функции самовосстановления является одной из наиболее активных областей исследований. Микрокапсулы, содержащие гидрофобный целебный агент, такой как масло PDMS или фторированный силан, встроены в покрытие. Когда царапина нарушает капсулу, целебный агент высвобождается и заполняет поврежденную область, восстанавливая гидрофобность. Команда из Мичиганского университета продемонстрировала полиуретановое покрытие, загруженное микрокапельками силиконового масла без фтора, которые мигрируют на поверхность после царапин. Покрытие восстановило свою супергидрофобность в течение нескольких часов после повреждения (]Передовые функциональные материалы, 2023]. Помимо пассивного заживления, стимул-реактивные материалы могут изменять свою текстуру поверхности или химию в ответ на сигналы окружающей среды. Термо-чувствительные полимеры, которые переключаются между гидрофильными и гидрофобными состояниями выше пороговой температуры, могут использоваться для высвобождения захваченных биофулянтов путем нагревания поверхности. pH-чувствительные покрытия могут стать гидрофильными в кислотных

Искусственный интеллект для проектирования и оптимизации

Проектное пространство для биовдохновленных поверхностей огромно. Количество возможных комбинаций геометрии признаков, интервала, высоты, соотношения сторон и химии эффективно бесконечно. Искусственный интеллект, особенно машинное обучение, применяется для эффективной навигации в этом пространстве. Нейронные сети, обученные на тысячах наборов данных топографии поверхности, могут предсказать поведение смачивания и характеристики сопротивления предлагаемого дизайна до того, как будет изготовлен любой физический образец. Генеративные состязательные сети могут предложить совершенно новые гибридные текстуры, которые сочетают способность захвата воздуха в риблетах акулы в конфигурациях, которые не придумал бы ни один человек. Высокопроизводительные автоматизированные системы изготовления и тестирования затем подтверждают эти виртуальные прогнозы, сжимая то, что будет годами итеративного экспериментирования в недели. Этот подход, основанный на ИИ, вероятно, значительно ускорит открытие практических морских покрытий. Он также позволяет оптимизировать покрытия для танкера в теплом, подверженном загрязнению Мексиканском заливе может потребовать иных конструктивных компромиссов, чем покрытие для исследовательского судна в холодной, низкообрабатывающей Арктике. ИИ может соответствующим образом адаптировать дизайн.

Гибридные физико-химические стратегии борьбы с загрязнением

Чисто физическая поверхность, независимо от того, насколько хорошо текстурирована, редко остается полностью чистой в течение многолетних интервалов, требуемых морскими операторами. Даже самые гидрофобные поверхности в конечном итоге накапливают кондиционирующую пленку адсорбированных органических молекул, за которыми следуют бактериальные биопленки, а затем более крупные организмы. Сама природа не полагается исключительно на текстуру; она дополняет физическую защиту химическими. Этому примеру, вероятно, последует биоиндуцируемые покрытия следующего поколения. Ключевое новшество - контролируемое высвобождение. Биоцид инкапсулируется в материале покрытия или хранится в резервуарах, которые подвергаются воздействию только тогда, когда поверхность механически повреждена или когда давление загрязнения превышает определенный порог. Это целевое высвобождение минимизирует общее количество биоцида, введенного в окружающую среду, сохраняя эффективность. Полевые испытания в тропических гаванях, где давление загрязнения является самым высоким, показали, что поверхность риблет, пропитанная низкодозированным бутенолидом, остается свободной от ракушек в течение 18 месяцев, по сравнению с 6 месяцами для контроля только рибли. Сочетание биоин

Прогноз для био-вдохновленных морских покрытий

Био-вдохновленные гидрофобные материалы решительно вышли за рамки академической любознательности. Реальные данные морских судов, коммерческих судоходных линий и морских энергетических операторов теперь предоставляют конкретные доказательства экономии топлива, снижения затрат на техническое обслуживание и продления срока службы активов. Научное сообщество разработало глубокое понимание физических принципов, регулирующих водоотталкивание на текстурированных поверхностях, и для реализации этих принципов доступен разнообразный набор методов изготовления. Наиболее значительные оставшиеся барьеры - это уже не фундаментальные научные неизвестные, а инженерные проблемы: создание покрытий, которые достаточно прочны, чтобы выдерживать годы службы, свободны от постоянных фторированных химических веществ и совместимы с ограничениями по стоимости и рабочему процессу применения на верфи. Это именно те проблемы, которые многопрофильные группы биологов, химиков-полимеров, инженеров-материалов и морских инженеров хорошо подходят для решения. По мере их успеха глобальный флот получит доступ к поверхностной технологии, которая делает корабли более тихими, более экономичными и менее зависимыми от токсичных биоцидов. В эпоху ужесточения правил выбросов и устойчиво высоких цен на топливо, био-в