ノンスティックコーティング 自然の例
生物学的に構造化されたコーティングは、よく知られている蓮の効果をはるかに超える特性を提供します。つまり、水に関連したセルフクリーニングです。 資金提供を受けた共同プロジェクトの一環として、生物学的モデルに基づく新しいレイヤーシステムが開発されています。 焦点は、非粘着性および腐食保護層の開発にあります。
約XNUMX年間、生物学と技術からの人工的な用語であるバイオニクスという用語は、「技術生物学」またはバイオミメティックとしても知られ、重要性を増しています。 基礎研究で最も人気のあるXNUMXつの例は、サメの皮の例を使用したリブレットフィルムと、蓮の植物の葉の上をモデルにした蓮の効果です。 どちらの開発も、エンジニアが可能な限り滑らかなものを使用する場合、自然は微細に構造化された表面を好むという発見に基づいています。
空気または水の周りの最適な流れと粒子の付着が最も少ないという点で、流れの境界層がプラスの影響を受けるため、微細構造化された表面がスムーズに優れています。 したがって、制動乱流が回避され、同時に汚染が低減されます。これは、美観の問題だけでなく、重量の増加と流線形状の減少をもたらし、病原体の侵入を減らすことで生物にとって不可欠です。 に
航空機や船舶の建設などの技術開発では、特に現在の燃料および輸送コストの大幅な増加により、この汚染防止の側面がますます重要になっています。 生物学的構造は、主に複数の問題に対して最適化されており、多くの場合、より大きな構造分子とその自己集合能力で構築され、しばしば構造化をもたらします。 水との併用での自己洗浄を超えて、微細構造表面の粘着防止特性は、産業上の重要性が高まっています：ハス効果の例で説明したように、葉脈、表皮細胞、ワックス結晶などの葉表面の異なるサイズレベル（階層）が組み合わさって、接触面積を96％。
ワックス層の強力な疎水性とともに、汚れと水も同様に消散します。 これは、大きな剛体の羽を持つトンボなどの動物にも当てはまります。 技術的に自浄作用を超える特性を備えたこのような組み合わせは、さまざまな用途に役立ちます。 開発には、純粋な基礎研究を超えた研究と産業界との協力が必要です。
研究と産業の緊密な協力
Rhenotherm社は、30年間、焦げ付き防止、乾式潤滑、腐食防止の用途向けにフルオロポリマーをベースにした工業用コーティングを専門としており、さまざまな顧客の要件をサポートするコーティングシステムの継続的なさらなる開発を受け入れています。 たとえば、Lotuflonを使用して、さまざまな構造レベルの微細構造フルオロポリマーコーティングが開発されました。 同社は、連邦教育研究省（VDI監督、FKZ 13N8676）が資金提供する、新規で恒久的な付着防止コーティングの開発のための共同プロジェクトに参加しています。 研究と業界のパートナーが関与しています。ドレスデンのNehlsen-BWB社（電気めっき、航空業界）は、Rhenothermと共同でµmとnmの構造化レベルを開発しています。 ハイリゲンシュタットの生物分析技術研究所は、ハレ大学、生理学化学研究所と協力して、新しいものの応用と特性評価に取り組んでいます。
植物学研究所のドレスデン工科大学のコーティングは、微視測量の調整と作業に取り組んでいます。
自己再生層
以前は、人工的に製造された微細構造の非粘着性コーティングは、表面パラメーターが10倍以上大きいという点で生物学的モデルとは異なります。 もうXNUMXつの問題は、多くの自然システムの場合のように、これまで自己再生していなかった最外層の機械的安定性である可能性があります。 この問題は、使用中に摩耗する可能性のある厚い最上層を使用することで回避されます。 コーティング材料と決定的な構造パラメーターの両方が自然のシステムに基づいているため、自然の助けを借りて、私たちは両方のトピックの新しいソリューションに取り組んでいます。
テトラエーテル脂質（TEL）は、サーモプラズマやスルフォロバスなどの特定の古細菌の殻の一部です。 古細菌は、温泉や深海など、高温で低pHの非常に住みにくい環境にほとんど住んでいます。 それらのシェルは、これらの敵対的な環境の影響から細胞内部を保護しなければなりません。 TELは、たとえば、2つのアルカン鎖で構成される4 nmの小さな環状分子であり、それぞれの末端がエーテル結合で架橋され、ヘッド基を介して基板に共有結合できます。
高い耐薬品性
この構造による安定性のため、それらは、主に垂直に平行な分子の閉じた層に自己集合することができ、その特性は、300°Cまでの温度耐性、高化学物質など、細菌のエンベロープの特性に由来します、UVおよび耐酸性。
分子構造により、TELは非反応性で非導電性であり、多層成層の絶縁体と考えることができます。
以前に使用されていたフルオロポリマー製の付着防止コーティングとは対照的に、ほとんどすべての材料への共有付着の可能性は、層が基板上にあるだけでなく、最終的にはそれと一体になるため、高い機械的安定性を提供します。 次に、上向きのヘッドグループは、特定のプロパティを設定できるように機能化できます。たとえば、外側では、コーティングは親水性ですが、TEL分子自体は疎水性のままです。
TELの小型で制御可能な柔軟な機能により、幅広い用途が期待されます：1層から2層は、内部の細いカニューレやチューブなどの医療製品のシールに適し、現在他の技術を使用している洗浄を容易にします届きにくい。 殺菌性コロイド銀と共有結合したオーバーレイも可能です。 たとえば、ガラス表面に適用したテストでは、屋外または設置場所で光学センサーを実質的にメンテナンスフリーで使用できることがすでに実証されています。
非粘着性と防食性に主に焦点を当てています
まだ技術的には不可能である、ファサードグレージングの完全に非破壊的なコーティングが可能であるように思われます。 必要に応じて、TELをより厚い層に適用することもできます。これにより、たとえば、耐薬品性、高い非粘着性、または柔らかいゴムのような表面による優れた牽引力などの他の望ましい特性に加えて、摩耗保護を保証できます。 可能なアプリケーションでは、主な焦点は、非粘着性と腐食保護に関する金属表面のコーティングにあります。 考えられる適用分野は、例えば、浴槽、ローラー、離型器、スプレードライヤーおよびドラムの機能部品のコーティングから、ファサード要素のシーリングにまで及ぶ。 XNUMX番目のバイオニックの側面は、上記のアプリケーションの多くで重要な役割を果たします。自然のモデルに一致する微細構造により、ほこり、水、さらには藻類や細菌などの単一細胞の生物の接触面が非常に少なくなり、これらの面にほとんど残ることができないためです。 対応するポリフッ素化により、強力な湿潤剤や油でさえ表面を濡らすことができなくなると考えられます-おそらく初めて、グラファイトスプレーのムードを完全に損なう表面です。
しかしそれまでは、我慢しなければなりません。 3年以上の資金調達期間を持つこのプロジェクトは、11月に2004を開始しました。最初の製品が使用できるようになるまでには数年かかります。 これまで重要なハードルは、コーティング材料の入手可能性が限られていることです。TELは、あまり貴重ではない単細胞生物の殻から得られるため、これまでのところ少量でしか在庫がなく、したがって相応に高価です。 ただし、2 mgは、1m²の1層カバレッジに十分です。