Deniz Biyofouling Problemi

Deniz biyofouling – alt yüzeylerdeki biyolojik organizmaların istenmeyen birikimi – bugün deniz endüstrilerine karşı en kalıcı ve pahalı problemlerden biri.Toksik bakteri ve diatomlar, barnacles, musseller ve tüpler, bu organizmaların gemideki yerleşim ve büyümesi, daha sonra sert bir kimyasal moleküllerin kalıcı olarak kullanılmasını sağlar.

Geminin hull'u terk ettiği operasyonel sonuçlar ciddidir, su kaynaklarına ve sualtına doğru çıkan su kaynaklarına yönelik olarak, su bazlı olmayan deniz transferlerine yönelik yakıt tüketiminin yüzde 40'ını azaltmaktadır.

Neden Konvansiyonel Antifouling Teknolojileri Sınırlarına Ulaştı

On yıllardır, deniz endüstrisi tributyltin (TBT) temelli boyalara dayanıyordu - bu organotin bileşikleri oldukça etkiliydi, ancak su sütununda aşırı toksisiteye neden oldu - çinko pirithi gibi biyoküreler ve Irgar 1051'in tamamına kadar kesintiye uğramak üzere Avrupa'da yasal düzenlemelere izin verdi.

Modern fouling-dönüşüm kaplamaları bile, düşük enerjili silikon veya fluoromer kimyagerleri, bazı kaplamalardan gelen silikon yağlarının tekrarlanması, limanlarda veya demirde olduğu gibi zayıf koşullar yerine getirmek ve mekanik olarak temizlenmesi veya buz etkisinden kolayca zarar görebilirler. Ayrıca, bu kaplamaların bazılarında bulunan silikon yağın sürekli olarak redüksiyonu sağlayan çözümler, okyanusta mikroplastik kirliliğine katkıda bulunur.

Biyolojik Oyun Kitabı: Deniz Organizmi Temiz Kalıyor

Deniz organizmaların kendileri aynı biyofouling tehdidiyle karşı karşıya kalır, ancak birçok kişi, toksinleri serbest bırakmadan pristin yüzeylerini korumak için yönetir. Çeşitli savunma mekanizmaları, yerleşim ve adhesion'un ilk aşamalarını önlemek için eşsiz bir mekanizma sunar.

Yüzey Topografi: Köpekbalığı Cilt Etkisi

Köpekbalıkları, barnacles ve alglerin ünlü bir şekilde özgürdür, cilt mikro-topografisi için mevcut temas noktalarını azaltır ve biyofilmlerin yayılmasını engelleyen enerjik engeller yaratır.Daha önemlisi, mikro-öldürülen ridges ve vadiler yüzme yönünde paralel olarak şekillendirilir.Bu anisotropic doku, fiziksel olarak incelenen boru yapıları da biyofilmlerin yayılmasını engelleyen enerjik engeller yaratır.

Araştırmacılar bu konsepti lazer ablasyonu, fotolithography, hot embosssing ve roll-to-roll nanoimprinting to createed Ulva (yeşil alg) ve bağlantılı mikrogrooves. iyi kontrollere kıyasla% 80'den fazla bir çalışma yayınladılar. Önemli olarak, bu yapılar tamamen fiziksel olarak gerekli olan kimyasal maddelerle uyuşuyor - manyetik testler ve yüzeysel testler ile benzer şekilde uyuşuyor.

Sıvı-Infüzyon Interfaces: The Sahaer Plant's Secret

Köpekbalıkları dokuya güveniyorken, Nepenthes perdeleyici bitkisi, sıvı tabakaya doğru bir şekilde ısıtılmış bir yüzeyde kilitlenen mikroskopik bir ağla dokulanır ve bu teknoloji, düşük hacimli bir yağda beton yağlayıcısı ile birleştirilir.Bu sayede, dinamik bir yüzeyde ve optik bir yüzeyde bulunan optik yüzeyleri dolduran bir yüzeyle birlikte, dinamik bir yüzeysel olmayan bir yüzeyle tekrarlanabilir.

Deniz uygulamaları için, silikon yağları veya perfluorinated yağlar sağlam bir sıvı ile karıştırılır, minimum hearmov alüminyum oksit veya ultra-smooth politetrafluoropi (PTFE) tabakaları.SLIPS yüzeyleri Pseudomonas aborsa biyofilmi en az% 99,6'dan fazla tutmalarına neden olur.

Aktif Kimyasal Engeller: Hidrogels ve Enzymatik Kaplamalar

Balıklar, snails ve echinoderms tarafından gizli bir şekilde gizlendi.Bu hidrogel katmanları sadece mekanik olarak yumuşak olmayan polimer ağları nedeniyle - güçlü mikro yapıştırıcılarla dolu - ama aynı zamanda kimyasal olarak aktif olarak da bilinir. Bazı mumyalar, prosteronyum gibi enzimler içerir ve biyofilm matriklerinin biyokimyasal bina bloklarını aktif olarak birleştirir.

Biyoinspired kaplamalar şimdi yüzeysel poli(zenfekte) (PEG), zwitteronik polimerler (örneğin sulfobetaine ve karboxybetaine) ve poliakrilamid bazlı polimerler kullanılarak geliştirilmektedir, poli(karboxybetaine) gibi.

Synergistic Designs: Nature's Strategies

Bireysel biyoinspired stratejileri büyük bir söz gösteriyor olsa da, en sağlam antifouling performansı genellikle birden çok mekanizmayı birleştirerek ortaya çıkıyor ve sentetik malzemeler, diğerlerinden farklı bir mekanizma başarısız olursa, diğer tüm fouling sıralarında çalışan sinerjik özelliklerle daha fazla tasarlanıyor - ilk protein adsorpsiyonundan kalıcı makrofouler yerleşimine.

Hierarchical Topografies ve Hybrid Interfaces

Mikro-parçalı bir yağ ile birleştiren bir yüzey, barnacle ve tüpün yeniden şekillendirmeden fiziksel olarak bozulmaya karşı çıkabilir. Aynı şekilde, Florida Üniversitesi'nden gelen araştırmalar, nano ölçekli kabalıklarla bir araya getirilen bir dizinli silikon yüzeyinin, birçok yaprak ve köpekbalığında bulunan ve derisinde bulunan bir saha performansın daha yakından nasıl ortaya çıktığını gösterdi.

Aynı şekilde güçlü, aktif kimyasal maddelerle pasif fiziksel dokuların kombinasyonudur. Bazı gelişmiş kaplamalar, dokulanmış polimer matrikslere ait olan yumuşak polimerleri veya erken aşama biyofilmleri tarafından üretilen yerel metabolitlere yanıt veren, gerektiğinden itibaren foulerse itmek için kullanılan ilaçlara karşı koymaktır.

Kendi kendine has bir malzeme ve hasar-Responsive Materials

Geleneksel kaplamalar için büyük bir engel, derinin yara-sıvılma ve aşınması, mekanik hasardan sonra kırık bağlantıların başlatılabileceği korumalı nişler oluşturur. Bioinspired yaklaşımlar bunu intrinsic self-healing mekanizmaları ile paralelleştirir.Derinler ile paralellik yapmak, supramole polimer ağları, yüzeysel hasardan sonra bağlantıları reforma uğratabilir, yüzeysel bütünlüğü ve yağdırır. Polyditiloxane (PDMS) aksi takdirde, mikro-kırık bağlantılarını ölçen diğer taraftan iyileşmek için göstermiştir.

Daha da ileri, sadece iyi değil, aktif olarak antifouling bileşenlerini yeniden inşa ettirir. Üç veya daha fazla sayıda parçalı kaplamalar şifa ajanları veya taze yağlayıcıları fisuring, analog olarak bitkilerdeki damar onarım sistemlerine sahiptir.Bu biyomimetic "bleeding" etkisi, üç veya daha fazla faktör tarafından geri yükleme ve uzun süreli bir yerleşim için bakım aralıklarını önemli ölçüde azaltır. Michigan Üniversitesi'nde araştırmacılar, bu biyokapsule sistemi, bir pulman sistemi ile birlikte, bir sıfırdan, geri yükleme işlemi ile yeniden yapılandırılırken, bu biyokapıtamine edici bir sistemle ilgili uzun süre boyunca bakım aralıklarını azaltırlar.

Çevre ve Ekonomik Viability

Biyokimyasal olmayan teknolojilerin geçişleri, nakliyeden gelen derin çevresel faydaların, 90 milyon tonluk bir ülkenin toplam emisyonlarının azaltılabileceğini tahmin etti. Çünkü bu kaplamalar mikroplastik veya ağır metallerin sadece% 30'unun, pelagic ve benthic gıda zincirlerinin kirliliğini de engelleyemiyorlar.

Operasyonel olarak, kuru doz frekansı önemli bir ekonomik sürücü haline gelir. Geleneksel bakır tabanlı boyalar, her 3-5 yıl boyunca, ilişkili kuru-dock maliyetleri genellikle 500 $ 'dan fazla,000'den fazla orta büyüklükteki bir yük gemisi haline gelir.

Bir düzenleyici bakış açısıyla, biyoinspired çözümlerine doğru iten, IMO'nun Biofouling Kılavuzları ve Ballast Water Management Convention. Port yetkilileri ve çevre ajansları, araştırma ve geliştirme alanlarında yatırım için giderek daha yoğun bir şekilde kısıtlayıcıdır.

Genişleme Kabulüne Ölçeği

Olağanüstü laboratuvar sonuçlarına rağmen, biyoinspired malzemeleri büyük ölçekli deniz kullanımına sunmak, ciltsiz engeller sunar. birincil meydan okuma ölçeklenebilirlik. Birçok mikro- ve nanopatterning teknik - elektron kirişi gibi ovma - aktif bir gelişme için zor ve pahalıya mal oluyor. Araştırmacılar rulo açma süresine devam ediyor, lazer müdahalesi deseni ve üreticilerin sürekli olarak büyük üretim için gerekli olan kendi kendine benzeyen yöntemler.

Sert deniz koşullarındaki durabilite başka bir önemli engeldir. Gerçek dünya fouling ortamları sadece biyolojik saldırı değil, aynı zamanda UV radyasyonu, oxidasyon, geniş sıcaklık hızları ve sertleştirici partiküller, örneğin, yağlanmış yüzeylerden gelen eğimli yüzeylere kadar sert bir şekilde giriş yaparak, yağdırıcı tabakalarını 30 düğüme kadar kaybedebilir - UV maruz kalma, termal büyüme stratejileri ve kum kaplamaları içeren standartları tasarlayarak ele alır.

Düzenlemek için yollar teknolojik yenilikleri geride bırakıyorlar.Çünkü birçok biyoinspired kaplamalar dinamik, kendini özgürleştirmek veya "daha iyi sürüm" gibi, gerçekten yenilikçi ürünler, eşsiz mekanizmaları yansıtacak özel test protokollerine sahipler. Örneğin, ASTM D8507 komitesine sahip olmak için, uzun vadeli akışların performansını değerlendirmek için standart olarak çalışıyor.

Future: Adaptif, Yaşamak ve Akıllı Kaplamalar

Önümüzdeki sefere, biyoinspired deniz malzemelerinin bir sonraki nesli muhtemelen uyarlanabilir, duyarlı ve hatta canlı elementler içerecektir. Araştırma, mühendisileştirilmiş yaşam malzemeleri (ELMs) kendi film dışı bakterileri barındırmaya, antifouling enzimler veya quorum-sensing inhibitörleri üretmek, yüzeyde tekrarjeneratif bir biyolojik kalkan oluşturmak için tasarlanmıştır.

Başka bir sınır, sadece minimum yakıt kullanımı için tekne kesme ve hız hesaplaması ile entegrasyon. Bu bütünleme malzemeleri analizleri ile gömülür ve fouling sensörleri gerçek zamanlı olarak gemi operatörlerine izin verebilir, seçici temizlemeyi sadece minimum yakıt kullanımı için gerekli ve optimize etmek için tetikleyin.Bu bütünleme yaklaşımları, malzeme bilimi analizleri ile birleştirir, kullanım süresi boyunca kullanım süresini ve gemi verimliliğini en üst düzey bir şekilde azaltır. Örneğin, Kuzey Denizi'ndeki bir konteyner gemisinde bir pilot proje, biyofilm kalınlığında ve saat boyunca 12'ye kadar temizlemeyi başarmıştır.

Ayrıca, yapay zeka, yeni biyoinspired formülasyonlarının keşfini hızlandırıyor.Profesyonel tarama verileri, test edilmemiş polimer-topografi-lubricant kombinasyonlarının antifouling etkinliğini tahmin edebilir, büyük ölçüde geliştirme süresi[Döneticileri) [Uygun Biyolojik Laboratuvar ve Washington Üniversitesi, mümkün olmayan şekillerde polimer kimyaya bağlantı kurmasını bekleyebiliriz.Bu çalışmadan bazılarını araştırabilirsiniz.

Deniz Harekâtı için Sürdürülebilir Bir Ufuk

Metal olmayan, dayanıklı antifouling arayışı, doğal mavi baskıya karşı kararlı bir şekilde döndü.Deniz organizmalarını temizleyen moleküler, topografik ve dinamik stratejileri ortadan kaldırmak için, bilim insanları, küresel deniz filosundaki mühendislik yüzeyleri – ve çoğunlukla aşmış – üretim süreçleri ölçeklendirme ve düzenleyici çerçeveleri, biyoinspired deniz malzemeleri, temel olarak kendini yüksek bir teknolojiyle nasıl koruyacağımızı yeniden şekillendirmeye karar verdi.