Наноструктурированные покрытия из оксида цинка снижают обрастание судов в лабораторных условиях
Исследователи из Университета Султана Кабуса разработали поверхности с микроскопическими узорами и наностержнями оксида цинка, которые снижают прикрепление бактерий и морских диатомей. Результаты опубликованы в журнале PLOS One, но требуют полевых испытаний перед практическим применением.
Биообрастание — накопление микроорганизмов и морских организмов на подводных поверхностях — остаётся серьёзной проблемой для морской техники. Оно замедляет корабли, увеличивает расход топлива, ускоряет коррозию, блокирует водозаборы и теплообменники, влияет на оборудование аквакультуры. Поиск эффективных и экологичных антиобрастающих материалов продолжается уже давно.
Конструкция и методология исследования
Учёные создали покрытия из наностержней оксида цинка на трёх различных микроузорчатых полимерных поверхностях, обозначенных D1, D2 и D3. Материалы сочетали микромасштабные узоры с наномасштабными структурами оксида цинка. Исследование опубликовано в PLOS One под авторством Azhar Al-Busaidi и коллег (DOI: 10.1371/journal.pone.0357826).
В лабораторных условиях команда тестировала поверхности с использованием бактерии Escherichia coli и морской диатомеи Amphora sp. Также оценивалась острая токсичность на личинках белоногой креветки Litopenaeus vannamei.
Физические свойства и водоотталкивающий эффект
Покрытия из оксида цинка сделали поверхности сильно гидрофобными. Угол смачивания водой составил примерно 150–165 градусов для покрытых поверхностей, в то время как для непокрытых поверхностей он был около 80–90 градусов. Это значительное увеличение водоотталкивающих свойств стало ключевым фактором антиобрастающего эффекта.
Результаты: снижение прикрепления микроорганизмов
Результаты показали дифференцированный эффект в зависимости от типа узора. Покрытия снизили прикрепление бактерий на 60,3% (D1), 48,8% (D2) и 5,8% (D3) соответственно. Покрытие диатомеей было снижено на 9,9% (D1), 72,9% (D2) и 71,8% (D3).
Исследователи объяснили антиобрастающий эффект комбинацией факторов: выделением ионов цинка, генерацией активных форм кислорода, изменением смачиваемости поверхности и взаимодействием между микро- и наномасштабными структурами.
Токсичность и оптимальный дизайн
Токсичность варьировалась в зависимости от конструкции поверхности. Покрытая оксидом цинка поверхность D1 показала лучший баланс между антиобрастающей производительностью и низкой токсичностью для личинок креветок. В контрасте, покрытая поверхность D3 продемонстрировала более низкую антибактериальную производительность и большую токсичность для личинок, что подчёркивает важность тщательного проектирования базового узора поверхности, а не только полагаться на материал покрытия.
Стабильность и долговечность
Микроскопическое исследование после биологических экспериментов показало, что наностержни оксида цинка остались структурно целыми, указывая на стабильность покрытий в течение периода лабораторного тестирования.
Перспективы и ограничения
Результаты предполагают, что комбинирование наностержней оксида цинка со специально разработанными микроузорчатыми поверхностями может предоставить перспективный подход к разработке антиобрастающих материалов. Такие материалы могли бы в будущем применяться на корпусах судов, сетях аквакультуры, системах водозабора и другом оборудовании, подвергаемом воздействию морской среды.
Однако исследователи подчеркнули, что эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях. Долгосрочные полевые испытания и дополнительные экотоксикологические оценки необходимы перед тем, как покрытия смогут быть рассмотрены для практического применения в морской или промышленной среде.
