Powłoki nieprzywierające po Przykład natury

Powłoki o strukturze biologicznej oferują właściwości daleko wykraczające poza dobrze znany efekt lotosu - czyli samooczyszczanie w połączeniu z wodą. W ramach finansowanego wspólnego projektu opracowywane są nowe systemy warstw oparte na modelach biologicznych. Nacisk kładziony jest na rozwój nieprzywierających i antykorozyjnych warstw.

Od około dziesięciu lat na znaczeniu zyskuje termin bionika, sztuczne słowo z zakresu biologii i technologii, znane również jako „biologia techniczna” lub biomimetyka. Dwa najpopularniejsze przykłady z badań podstawowych to folia płetwiasta na przykładzie skóry rekinów oraz efekt lotosu, wzorowany na modelu wierzchołka liści lotosu. Oba osiągnięcia opierają się na odkryciu, że natura preferuje powierzchnie o drobnej strukturze, jeśli inżynierowie używają możliwie gładkich powierzchni.

Zarówno pod względem optymalnego przepływu powietrza lub wody, jak i najniższej przyczepności cząstek, mikrostrukturyzowane powierzchnie są gładkie, ponieważ wpływa to pozytywnie na warstwę graniczną przepływu. W ten sposób unika się turbulencji hamowania, a jednocześnie zmniejsza się zanieczyszczenie, co jest nie tylko kwestią estetyki, ponieważ prowadzi do zwiększenia masy i zmniejszenia opływowego kształtu i jest niezbędne dla organizmów poprzez zmniejszenie inwazji patogenów. na
postęp techniczny, taki jak budowa samolotów i statków, ten aspekt przeciwdziałania zanieczyszczeniom staje się coraz ważniejszy, zwłaszcza ze względu na obecny ogromny wzrost paliwa i kosztów transportu. Struktury biologiczne są w większości zoptymalizowane pod kątem wielu problemów i często są zbudowane z większych cząsteczek struktury i ich zdolności do samoorganizacji, często powodując strukturyzację. Oprócz samooczyszczania w połączeniu z wodą, właściwości antyadhezyjne mikrostrukturyzowanej powierzchni mają coraz większe znaczenie przemysłowe: jak opisano na przykładzie efektu lotosu, różne poziomy wielkości (hierarchie) powierzchni liści, takie jak żyły liści, komórki naskórka i kryształy wosku w ich kombinacji, zmniejszają powierzchnię kontaktu o maksymalnie do 96%.

Wraz z silną hydrofobowością warstwy wosku, brud i woda są równomiernie rozproszone. Dotyczy to również zwierząt, takich jak ważki z dużymi sztywnymi skrzydłami. Taka kombinacja z właściwościami poza samooczyszczaniem technicznym do zrealizowania jest przydatna w wielu zastosowaniach. Rozwój wymaga współpracy między badaniami a przemysłem poza zwykłymi badaniami podstawowymi.

Ścisła współpraca badań i przemysłu
Firma Rhenotherm od 30 lat specjalizuje się w powłokach przemysłowych na bazie fluoropolimerów do zastosowań związanych z nieprzywierającym, suchym smarowaniem i ochroną przed korozją i jest otwarta na ciągły rozwój systemów powłokowych, aby sprostać różnym wymaganiom klientów. Na przykład w przypadku Lotuflonu opracowano mikrostrukturalną powłokę fluoropolimerową o różnych poziomach strukturalnych. Firma jest zaangażowana we wspólny projekt finansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (nadzór VDI, FKZ 13N8676) w celu opracowania nowych i trwałych powłok antyadhezyjnych. Zaangażowani są partnerzy naukowo-przemysłowi: firma Nehlsen-BWB z Drezna (galwanotechnika, przemysł lotniczy) opracowuje poziomy struktury w µm i nm razem z Rhenotherm. Instytut Technologii Bioanalizy w Heiligenstadt współpracuje z Instytutem Chemii Fizjologicznej Uniwersytetu w Halle nad zastosowaniem i charakterystyką nowego
Powłoka, TU Dresden, Instytut Botaniki pracuje nad koordynacją i pracami nad badaniami mikroskopowymi.

Samoregenerujące się warstwy
Wcześniejsze, sztucznie wytwarzane mikrostrukturyzowane powłoki nieprzywierające różnią się od modeli biologicznych parametrami powierzchni, które są 10-krotnie i więcej większe. Innym problemem może być stabilność mechaniczna najbardziej zewnętrznej warstwy, która do tej pory - podobnie jak w wielu systemach naturalnych - nie regeneruje się samoczynnie. Problem można obejść stosując grubą warstwę wierzchnią, która może się ścierać podczas użytkowania. Z pomocą natury opracowywane są nowe podejścia do obu tematów, ponieważ zarówno materiał powłokowy, jak i decydujące parametry strukturalne są oparte na systemach naturalnych.

Lipidy tetraeterowe (TEL) są częścią skorupy niektórych archebakterii, takich jak Thermoplasma lub Sulfolo-bus. Archaebakterie żyją głównie w wyjątkowo nieprzyjaznych środowiskach o wysokich temperaturach i niskim pH, na przykład w gorących źródłach lub w głębokim morzu. Ich muszla musi chronić wnętrze komórki przed tymi wrogimi wpływami środowiska. TEL to, na przykład, 4 nm maleńkie cząsteczki cykliczne wykonane z dwóch łańcuchów alkanowych, z których każdy jest zmostkowany na swoich końcach wiązaniami eterowymi i może być kowalencyjnie związany z substratem poprzez ich grupy głowy.

Wysoka odporność chemiczna
Ze względu na ich stabilność dzięki tej strukturze, są one zdolne do samoorganizowania się w zamkniętą warstwę głównie prostopadle równoległych cząsteczek, których właściwości można uzyskać z otoczki bakteryjnej, takich jak odporność na temperaturę do 300 ° C, wysoka chemiczna , Odporność na UV i kwas.

Ze względu na swoją strukturę molekularną TEL są niereaktywne, nieprzewodzące i można je sobie wyobrazić jako izolator w wielowarstwowej stratyfikacji.

W przeciwieństwie do dotychczas stosowanych powłok antyadhezyjnych wykonanych z fluoropolimerów, możliwość kowalencyjnego wiązania do niemal każdego materiału zapewnia dużą stabilność mechaniczną, ponieważ warstwa nie tylko spoczywa na podłożu, ale ostatecznie łączy się z nim. Górną grupę głowy można z kolei sfunkcjonalizować w taki sposób, że można ustawić określone właściwości - na przykład na zewnątrz powłoka jest hydrofilowa, podczas gdy sama cząsteczka TEL pozostaje hydrofobowa.

Ze względu na mały rozmiar i sterowalną, elastyczną funkcjonalność TEL, należy spodziewać się szerokiego zakresu zastosowań: Jedna do dwóch warstw nadaje się do uszczelniania produktów medycznych, takich jak drobne kaniule lub dętki, i ułatwia ich czyszczenie, które jest obecnie stosowane z innymi technikami trudne do osiągnięcia. Możliwa jest również kowalencyjnie związana powłoka z bakteriobójczym koloidalnym srebrem. Testy, zastosowane na przykład na powierzchniach szklanych, z powodzeniem wykazały, że czujniki optyczne można stosować praktycznie bezobsługowo na zewnątrz lub w instalacjach.

Główny nacisk na właściwości nieprzywierające i antykorozyjne
Wydaje się, że możliwe jest całkowicie odporne na pękanie pokrycie oszklenia elewacji, które nie było jeszcze technicznie możliwe. W razie potrzeby TEL można również nakładać w grubszych warstwach, aby na przykład zagwarantować ochronę przed ścieraniem oprócz innych pożądanych właściwości, takich jak odporność chemiczna, wysokie właściwości zapobiegające przywieraniu lub dobra przyczepność dzięki miękkiej, podobnej do gumy powierzchni. W możliwych zastosowaniach główny nacisk kładzie się na powlekanie powierzchni metalowych pod kątem nieprzywieralności i ochrony przed korozją. Możliwe obszary zastosowania obejmują powlekanie części funkcjonalnych, na przykład wanien, walców, odkamieniaczy, suszarek rozpyłowych i bębnów po uszczelnianie elementów elewacji. Drugi aspekt bioniczny odgrywa ważną rolę w wielu z wyżej wymienionych zastosowań, ponieważ mikrostrukturyzacja dopasowana do naturalnych modeli zmniejsza powierzchnię kontaktu z kurzem, wodą, a nawet pojedynczymi komórkami życia, takimi jak glony i bakterie, tak bardzo, że niewiele może pozostać na tych powierzchniach. Przy odpowiednim polifluorowaniu można sobie wyobrazić, że nawet silne środki zwilżające i oleje nie mogą już zwilżyć powierzchni - być może po raz pierwszy powierzchnia, która całkowicie psuje nastrój opryskiwaczom grafitowym.

Ale do tego czasu musisz być cierpliwy. Projekt, którego okres finansowania wynosi ponad trzy lata, rozpoczął 2004 w listopadzie i minie kilka lat, zanim pierwsze produkty będą gotowe do użycia. Dotychczasową istotną przeszkodą jest ograniczona dostępność materiału powłokowego: TEL są, ponieważ są otrzymywane z muszli mniej cenionych organizmów jednokomórkowych, w postaci oczyszczonej jak dotąd tylko w małych ilościach w magazynie, a zatem odpowiednio drogie. Jednak 2 mg jest wystarczający do pokrycia jednowarstwowego 1 m².