Экологически безопасные и высокоэффективные противообрастающие покрытия на основе бикомпонентных наночастиц металлов и их оксидов

Морское биообрастание судов и гидротехнических сооружений является мировой проблемой, которая до сих пор эффективно не решена. Противообрастающие покрытия с биоцидами являются наиболее надежным способом предотвращения биологического обрастания. Однако после запрещения токсичных для окружающей среды металлоорганических (свинец-, ртуть- и оловосодержащих) противообрастающих покрытий, исследования и поиск новых эффективных биоцидным материалов и принципов подавления жизнедеятельности биообрастателей стали значимой научной проблемой, которая еще ждет своего решения. Актуальность решения этой проблемы обусловлена, прежде всего, экономической целесообразностью эксплуатации судов, морских гидротехнических сооружений и конструкций. В частности, биообрастание корпусов судов приводит к снижению его ходовых качеств вплоть до 50 % от его номинальной величины, а, значит, к увеличению расхода топлива, и, как следствие, увеличения себестоимостью доставки грузов. Для решения проблемы создания высокоэффективных противообрастающих покрытий требуются материалы, обладающие одновременно высокой эффективностью и низкой токсичностью, не вызывающих гибели «нецелевых» сопутствующих морских организмов, в отличие от противообрастающих покрытий, содержащих токсичные биоциды. Современные научные данные показывают, что материалы, способные к генерации активных форм кислорода (АФК) могут стать экологически безопасной и эффективной альтернативой покрытиям, содержащим токсичные вещества. Активные формы кислорода вызывают повреждение белковых структур биологических объектов и их гибель при непосредственном контакте. Поскольку радикалы АФК короткоживущие, то вреда окружающей водной среде не наносится. Актуальным решением проблемы является разработка препятствующих биообрастанию покрытий, содержащих наночастицы сложного состава типа металл-оксид металла, оксид металла-феррит металла и оксид металла-оксид металла, обладающие фотокаталитической активностью и способностью генерировать АФК. Такие бикомпонентные наночастицы могут выступить в качестве нового компонента экологически безопасных и высокоэффективных противообрастающих покрытий судов и гидротехнических сооружений. В многокомпонентных наночастицах может быть реализован эффект переноса электронов из зоны проводимости одного компонента в зону проводимости другого. Благодаря этому эффекту происходит изменение ширины запрещенной зоны полупроводника, снижение энергии фотоиндуцированного переноса электронов и, как следствие, усиление его фотокаталитической и соответственно противообрастающей активности при поглощении в видимой области электромагнитного излучения. Фотокаталитическая активность таких материалов будет выше, чем у простых оксидов, например, ZnOили TiO2. Научной задачей, решаемой в проекте, является разработка научно-технических основ создания новых экологически безопасных и высокоэффективных противообрастающих покрытий с использованием бикомпонентных наночастиц сложного состава (ZnO-FeZnO, CuO-FeCuO, ZnTi2O4-ZnO, ZnTi2O4-TiO2, Ag-TiO2). Варьируя фазовый состав и морфологию наночастиц, можно регулировать оптические свойства дисперсной фазы в УФ и видимой области спектра и, соответственно, их способность генерировать активные формы кислорода непосредственно на поверхности наполненного ими композита. Такие частицы не будут выделять токсичные ионы в окружающую среду и будут безопасны для «нецелевых» морских организмов. Также научные исследования, направленные на достижение синергетического эффекта компонентов, входящих в покрытия, позволят получить новые знания в области разработки композитных материалов на основе многокомпонентных наночастиц. Научная новизна исследования состоит в том, что впервые будет изучен противообрастающий эффект защитных покрытий, содержащих бикомпонентные наночастицы сложного состава (металл-оксид металла, оксид металла- феррит металла, оксид-металла-оксид металла) в зависимости от структурно-фазового состояния и формо-размерных характеристик наночастиц. Для синтеза наночастиц будет использоваться электрический взрыв проволочек соответствующих металлов в кислородосодержащей атмосфере. Варьирование параметрами электровзрывного синтеза и содержания кислорода в рабочем газе позволит получить многокомпонентные наночастицы с различным содержанием оксидных и металлических фаз и дисперсным составом. С помощью современных методов исследования будет установлена взаимосвязь между параметрами электрического взрыва проволочек, составом и структурой образующихся многокомпонентных наночастиц, а также их противообрастающей активностью. Будут выбраны оптимальные составы наночастиц для разработки противообрастающих покрытий, установлены закономерности влияния состава и концентрации наночастиц на физико-механические характеристики экспериментальных образцов покрытий. Будет установлена токсичность синтезированных композитов в отношении тестовых морских гидробионтов. Комплекс современных физических и биологических методов исследования в сочетании с испытаниями в море позволит получить новые данные о механизме разрушения органической основы матрицы противообрастающего состава под действием морской воды и биодеструкции перифитонными микроорганизмами. Результаты комплексного анализа процессов на границе разделов «противообрастающее покрытие–биопленка–морская вода» могут лечь в основу феноменологической теоретической модели противообрастающего покрытия контактно-диффузионного действия на основе многокомпонентных наночастиц. Будут разработаны рекомендации для практического применения противообрастающих покрытий на основе многокомпонентных наночастиц. Результаты, полученные в 2021-2023 гг., будут опубликованы не менее, чем в восьми публикациях в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (WebofScienceСoreСollection) или «Скопус» (Scopus) и представлены на международных и всероссийских конференциях.