Biofouling en el casco de un barco; b naufragio anudado, Ascophyllum nodosum; c Modo de acción de las pinturas bioinspiradas bajo agua:al igual que la enzima natural bromoperoxidasa de vanadio, las nanopartículas de pentoxido de vanadio actúan como catalizador para la formación de ácido hipobromoso a partir de iones bromuro (contenidos en agua de mar) y pequeñas cantidades de peróxido de hidrógeno que se forman al exponerse a luz del sol.
Científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) en Alemania han descubierto que pequeñas nanopartículas de pentóxido de vanadio pueden inhibir el crecimiento de percebes, bacterias y algas en superficies en contacto con el agua, como cascos de barcos, boyas marinas, o plataformas marinas. Sus experimentos demostraron que las placas de acero a las que se les había aplicado un recubrimiento que contenía partículas de pentóxido de vanadio dispersas podían exponerse al agua de mar durante semanas sin que se formaran depósitos de percebes. bacterias y algas. En comparación, Las placas que estaban recubiertas solo con la pintura normal del barco exhibieron un ensuciamiento masivo después de la exposición al agua de mar durante el mismo período de tiempo. El descubrimiento podría conducir al desarrollo de nuevos protectores, Recubrimientos y pinturas antiincrustantes que son menos dañinos para el medio ambiente que los recubrimientos para buques que se utilizan actualmente.
El ensuciamiento marino es un problema que le cuesta a la industria naviera más de 200 mil millones de dólares al año. La acumulación de organismos como las algas, mejillones, y percebes aumenta la resistencia al agua de los objetos y, en consecuencia, el consumo de combustible. Esto significa costos adicionales para las compañías navieras y, peor aún, aumento del daño ambiental debido al CO adicional 2 emisiones. En tan solo unos meses, el casco de un barco submarino puede estar completamente cubierto y cubierto de organismos. Según Lloyds, esto significa un aumento en el consumo de combustible de hasta un 28 por ciento y alrededor de 250 millones de toneladas de CO adicional 2 emisiones por año. Si bien es posible contrarrestar este efecto en cierta medida mediante el uso de pinturas antiincrustantes, Los biocidas convencionales son menos eficaces y pueden tener consecuencias medioambientales adversas. Además, los microorganismos pueden desarrollar resistencia a ellos.
Se aplicó pintura antiincrustante disponible comercialmente con y sin nanopartículas de pentóxido de vanadio a dos placas de acero inoxidable (2 x 2 cm). Ambas placas estaban unidas a un barco amarrado en una laguna con exposición directa al agua del mar del Atlántico. Después de 60 días, la placa sin nanopartículas de pentóxido de vanadio (izquierda) mostró una fuerte suciedad; a diferencia de, la placa con el recubrimiento de pentóxido de vanadio no lo hizo (derecha). Crédito:grupo de investigación Tremel, JGU
Fue uno de los mecanismos de defensa propios de la naturaleza que proporcionó la inspiración para el enfoque que ahora adopta el equipo de científicos que trabaja con el profesor Dr. Wolfgang Tremel del Instituto de Química Inorgánica y Química Analítica en JGU. Ciertas enzimas que se encuentran en las algas marrones y rojas producen compuestos halógenos que tienen un potencial biocida. Se supone que estos son sintetizados por las algas para protegerlos del ataque microbiano y de los depredadores. Los químicos de la Universidad de Mainz decidieron imitar este proceso utilizando nanopartículas de pentóxido de vanadio. Según su artículo publicado en Nanotecnología de la naturaleza , pentóxido de vanadio (V 2 O 5 ) las nanopartículas tienen "una actividad de bromación biomimética intrínseca […] que las convierte en una alternativa práctica y rentable a los biocidas químicos convencionales". El pentóxido de vanadio funciona como catalizador de modo que el peróxido de hidrógeno y el bromuro se combinan para formar pequeñas cantidades de ácido hipobromoso. que es altamente tóxico para muchos microorganismos y tiene un efecto antibacteriano pronunciado. Los reactivos necesarios están presentes en el agua de mar:ya contiene iones bromuro, mientras que se forman pequeñas cantidades de peróxido de hidrógeno cuando se expone a la luz solar.
El proceso se ha demostrado tanto en condiciones de laboratorio como en agua de mar natural. Tiene consecuencias mínimas para el medio ambiente porque el efecto se limita a las micro superficies. El óxido metálico es particularmente potente cuando está presente en forma de nanopartículas porque entonces, debido a la mayor superficie, hay un efecto catalítico mejorado.
"Nanopartículas de pentóxido de vanadio, debido a su escasa solubilidad y al hecho de que están incrustados en el revestimiento, son considerablemente menos tóxicos para la vida marina que las sustancias activas a base de estaño y cobre utilizadas en los productos disponibles comercialmente, "explica Wolfgang Tremel. En su opinión, Los revestimientos de buques a base de pentóxido de vanadio podrían ser una alternativa práctica y rentable a los biocidas químicos convencionales. "Aquí tenemos un componente compatible con el medio ambiente para una nueva generación de pinturas antiincrustantes que emplean el mecanismo de defensa natural utilizado por los organismos marinos".
Ron Wever, el socio de cooperación holandés del equipo de la Universidad de Amsterdam, ha estado investigando estos mecanismos de defensa naturales durante los últimos 15 años. Sugirió agregar la enzima involucrada, es decir., haloperoxidasa de vanadio, a las pinturas antiincrustantes. Los químicos de Mainz ahora están trabajando junto con Wever para desarrollar nanopartículas de pentóxido de vanadio. "Las partículas de pentóxido de vanadio son considerablemente más baratas y también más estables que las enzimas producidas genéticamente, " él añade.
Un grupo de investigación dirigido por el Dr. Klaus Peter Jochum del Instituto Max Planck de Química en Mainz ha estado realizando experimentos para determinar si el uso de pentóxido de vanadio podría tener un efecto negativo en el medio ambiente. Usando un espectrómetro de masas ICP altamente sensible, los científicos determinaron la concentración de vanadio en varias muestras de agua de mar que habían estado expuestas al material recubierto durante diferentes períodos de tiempo. Los resultados mostraron que los niveles estaban solo ligeramente elevados por encima de la concentración promedio normal de vanadio en el agua de mar. Por lo tanto, se puede concluir que solo cantidades muy pequeñas de vanadio migran del revestimiento al agua de mar y, por lo tanto, no tendrán un impacto negativo en el medio ambiente.
