Hej, bakterie, stig af min båd!

Nedsænk det, og de vil komme. Opportunistisk tang, smykker, og bakteriefilm kan hurtigt ramme næsten enhver undervandsoverflade, men forskere bruger nu fremskridt inden for nanoteknologi og materialevidenskab til at designe miljøvenlige undervandsbelægninger, der afviser disse biologiske blindpassagerer.

"Havvand er et meget aggressivt biologisk system, " siger Gabriel Lopez, hvis laboratorium på Duke University studerer grænsefladen mellem marine bakteriefilm med nedsænkede overflader. Mens den myldrende overflod af havliv gør koralrev og tidevandsbassiner til attraktive turistmål, for skibe, hvis skrog bliver dækket af slim, alt dette liv kan, helt bogstaveligt, være et stort træk. På kun én klasse af US Navy destroyere, biologisk opbygning anslås at koste mere end 50 millioner dollars om året, mest i ekstra brændstof, ifølge en undersøgelse fra 2010 udført af forskere fra U.S. Naval Academy og Naval Surface Warfare Center i Maryland. Marine biofouling kan også forstyrre driften af ​​havsensorer, varmevekslere, der suger vand ind for at afkøle mekaniske systemer, og andet undervandsudstyr.

Traditionelt, en skibsproducent kunne påføre biocidholdig maling, designet til at forgifte alle koloniserende organismer, til undersiden af ​​skroget. Imidlertid, disse malinger indeholder ofte tungmetaller eller andre giftige kemikalier, der kan samle sig i miljøet og utilsigtet skade fisk eller andre marine organismer. For at erstatte giftig maling, forskere og ingeniører leder nu efter måder at manipulere de fysiske egenskaber af overfladebelægninger for at modvirke biologisk kolonisering. "Vores endelige mål er at udvikle grønnere teknologi, " siger Lopez.

Lopez og hans gruppe fokuserer på en klasse af materialer kaldet stimuli-responsive overflader. Som navnet antyder, materialerne vil ændre deres fysiske eller kemiske egenskaber som reaktion på en stimulus, såsom en temperaturændring. Belægningerne, der testes i Lopez' laboratorium, rynker på mikro- eller nanoskala, ryste slimede kolonier af marine bakterier af sig på en måde, der ligner, hvordan en hest kan rykke sin hud for at skyde fluer væk. Forskerne overvejer også, hvordan en stimulus kan ændre de kemiske egenskaber af en overflade på en måde, der kan mindske en marin organismes evne til at holde fast.

På AVS Symposium, afholdt 30. oktober – 4. november i Nashville, Tenn., Lopez vil præsentere resultater fra eksperimenter på to forskellige typer stimuli-responsive overflader:en, der ændrer sin tekstur som reaktion på temperatur, og den anden som reaktion på en påført spænding. De spændingsfølsomme overflader udvikles i samarbejde med laboratoriet i Xuanhe Zhao, også en hertugforsker, som fandt ud af, at isoleringskabler kan svigte, hvis de deformeres under spændinger. "Overraskende nok, den samme fejlmekanisme kan gøres nyttig til at deformere overflader af belægninger og løsne biofouling, " sagde Zhao.

"Ideen om en aktiv overflade er inspireret af naturen, " tilføjer Lopez, der husker at være fascineret af spørgsmålet om, hvordan en søanemons vinkende fangarme er i stand til at rense sig selv. Andre biologiske overflader, såsom hajskind, er allerede blevet kopieret af ingeniører, der søger at lære af naturens egne succesrige antibegroningssystemer.

De modeloverflader, som Lopez og hans team studerer, er endnu ikke i former, der egner sig til kommercielle applikationer, men de hjælper forskerne med at forstå mekanismerne bag effektiv tekstur eller kemiske ændringer. Forståelse af disse mekanismer vil også hjælpe holdet med at udvikle materialer og metoder til at kontrollere biofouling i en bred vifte af yderligere sammenhænge, herunder på medicinske implantater og industrielle overflader. Som et næste skridt, holdet vil teste, hvordan overfladerne er i stand til at ryste andre former for havliv af sig. Til sidst håber holdet at nedsænke belagte testpaneler i kystnære farvande og vente på, at livet i havet kommer, men forhåbentlig ikke blive for hyggeligt.