Sänk det och de kommer. Opportunistisk tång, nosklämma, och bakteriefilmer kan snabbt drabba nästan vilken undervattensyta som helst, men forskare använder nu framsteg inom nanoteknik och materialvetenskap för att designa miljövänliga undervattensbeläggningar som stöter bort dessa biologiska fripassagerare.
"Havsvatten är ett mycket aggressivt biologiskt system, säger Gabriel Lopez, vars labb vid Duke University studerar gränssnittet mellan marina bakteriefilmer med nedsänkta ytor. Medan det myllrande överflöd av havsliv gör korallrev och tidvattenpooler till attraktiva turistmål, för fartyg vars skrov blir täckta med slem, allt detta liv kan, ganska bokstavligt, vara ett stort drag. På bara en klass av U.S. Navy jagare, biologisk uppbyggnad beräknas kosta mer än 50 miljoner dollar per år, mestadels i extra bränsle, enligt en studie från 2010 utförd av forskare från U.S. Naval Academy och Naval Surface Warfare Center i Maryland. Marin biopåväxt kan också störa driften av havssensorer, värmeväxlare som suger in vatten för att kyla mekaniska system, och annan undervattensutrustning.
Traditionellt, en fartygstillverkare kan applicera biocidhaltig färg, utformad för att förgifta alla koloniserande organismer, till undersidan av skrovet. Dock, dessa färger innehåller ofta tungmetaller eller andra giftiga kemikalier som kan ansamlas i miljön och oavsiktligt skada fiskar eller andra marina organismer. För att ersätta giftiga färger, forskare och ingenjörer letar nu efter sätt att manipulera de fysiska egenskaperna hos ytbeläggningar för att motverka biologisk kolonisering. "Vårt slutmål är att utveckla grönare teknik, säger Lopez.
Lopez och hans grupp fokuserar på en klass av material som kallas stimuli-känsliga ytor. Som namnet antyder, materialen kommer att ändra sina fysikaliska eller kemiska egenskaper som svar på en stimulans, såsom en temperaturförändring. Beläggningarna som testas i Lopez labb rynkar på mikro- eller nanoskala, skaka av sig slemmiga kolonier av marina bakterier på ett sätt som liknar hur en häst kan rycka i huden för att skjuta bort flugor. Forskarna överväger också hur en stimulans kan förändra de kemiska egenskaperna hos en yta på ett sätt som kan minska en marin organisms förmåga att fastna.
På AVS Symposium, hölls 30 oktober – 4 november i Nashville, Tenn., Lopez kommer att presentera resultat från experiment på två olika typer av stimuli-känsliga ytor:en som ändrar sin textur som svar på temperatur och den andra som svar på en applicerad spänning. De spänningskänsliga ytorna utvecklas i samarbete med laboratoriet i Xuanhe Zhao, också en hertigforskare, som upptäckte att isoleringskablar kan gå sönder om de deformeras under spänningar. "Förvånande, samma felmekanism kan göras användbar för att deformera ytor på beläggningar och ta bort biofouling, " sa Zhao.
"Idén om en aktiv yta är inspirerad av naturen, " tillägger Lopez, som minns att han blev fascinerad av frågan om hur en havsanemons viftande tentakler klarar av att rengöra sig själva. Andra biologiska ytor, som hajskinn, har redan kopierats av ingenjörer som försöker lära av naturens egna framgångsrika antifouling-system.
Modellytorna som Lopez och hans team studerar är ännu inte i former som lämpar sig för kommersiella tillämpningar, men de hjälper forskarna att förstå mekanismerna bakom effektiv textur eller kemiska förändringar. Att förstå dessa mekanismer kommer också att hjälpa teamet att utveckla material och metoder för att kontrollera biofouling i ett brett spektrum av ytterligare sammanhang, inklusive på medicinska implantat och industriella ytor. Som nästa steg, teamet kommer att testa hur ytorna kan skaka av sig andra former av marint liv. Så småningom hoppas teamet kunna sänka belagda testpaneler i kustvatten och vänta på att det marina livet ska komma, men förhoppningsvis inte bli för mysig.
