Biofouling allo scafo di una barca; b wrack annodato, Ascophyllum nodoso; c Modalità d'azione delle idropitture bioispirate:Come l'enzima naturale bromoperossidasi di vanadio, le nanoparticelle di pentossido di vanadio fungono da catalizzatore per la formazione di acido ipobromoso da ioni bromuro (contenuti nell'acqua di mare) e piccole quantità di perossido di idrogeno che si formano in seguito all'esposizione a luce del sole.
Gli scienziati della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) in Germania hanno scoperto che minuscole nanoparticelle di pentossido di vanadio possono inibire la crescita dei cirripedi, batteri, e alghe sulle superfici a contatto con l'acqua, come gli scafi delle navi, boe di mare, o piattaforme offshore. I loro esperimenti hanno mostrato che le lastre di acciaio su cui era stato applicato un rivestimento contenente particelle disperse di pentossido di vanadio potevano essere esposte all'acqua di mare per settimane senza la formazione di depositi di cirripedi, batteri, e alghe. In confronto, le lastre che sono state rivestite solo con la normale vernice della nave hanno mostrato un'enorme incrostazione dopo l'esposizione all'acqua di mare per lo stesso periodo di tempo. La scoperta potrebbe portare allo sviluppo di nuove protezioni, rivestimenti e vernici antivegetative che sono meno dannosi per l'ambiente rispetto ai rivestimenti per navi attualmente utilizzati.
Il fouling marino è un problema che costa all'industria navale più di 200 miliardi di dollari all'anno. L'accumulo di organismi come alghe, cozze, e cirripedi aumenta la resistenza all'acqua degli oggetti e, conseguentemente, consumo di carburante. Ciò significa costi aggiuntivi per le compagnie di navigazione e, persino peggio, aumento del danno ambientale dovuto alla CO . in più 2 emissioni. Nel giro di pochi mesi, lo scafo di una barca sottomarina può essere completamente ricoperto e ricoperto di organismi. Secondo Lloyd, questo significa un aumento del consumo di carburante fino al 28% e circa 250 milioni di tonnellate di CO . in più 2 emissioni annue. Sebbene sia possibile contrastare in una certa misura questo effetto mediante l'uso di vernici antivegetative, i biocidi convenzionali sono meno efficaci e possono avere conseguenze ambientali negative. Inoltre, i microrganismi possono sviluppare resistenza ad essi.
Una vernice antivegetativa disponibile in commercio con e senza nanoparticelle di pentossido di vanadio è stata applicata a due piastre di acciaio inossidabile (2 x 2 cm). Entrambe le piastre erano attaccate a una barca ormeggiata in una laguna con esposizione diretta all'acqua del mare atlantico. Dopo 60 giorni, la lastra senza nanoparticelle di pentossido di vanadio (a sinistra) mostrava una forte incrostazione; in contrasto, la lastra con il rivestimento di pentossido di vanadio no (a destra). Credito:gruppo di ricerca Tremel, JGU
È stato uno dei meccanismi di difesa della natura a fornire l'ispirazione per l'approccio ora adottato dal team di scienziati che lavora sotto il professor Dr. Wolfgang Tremel dell'Istituto di chimica inorganica e chimica analitica della JGU. Alcuni enzimi presenti nelle alghe brune e rosse producono composti alogeni che hanno un potenziale biocida. Si presume che questi siano sintetizzati dalle alghe per proteggerli dagli attacchi microbici e dai predatori. I chimici dell'Università di Mainz hanno deciso di imitare questo processo utilizzando nanoparticelle di pentossido di vanadio. Secondo il loro articolo pubblicato su Nanotecnologia della natura , pentossido di vanadio (V 2 oh 5 ), le nanoparticelle hanno "un'attività di bromurazione biomimetica intrinseca […] che le rende un'alternativa pratica ed economicamente vantaggiosa ai biocidi chimici convenzionali". Il pentossido di vanadio funge da catalizzatore in modo che il perossido di idrogeno e il bromuro si combinino per formare piccole quantità di acido ipobromoso, che è altamente tossico per molti microrganismi e ha un pronunciato effetto antibatterico. I reagenti necessari sono presenti nell'acqua di mare:questa contiene già ioni bromuro, mentre si formano piccole quantità di acqua ossigenata quando viene esposto alla luce solare.
Il processo è stato dimostrato sia in condizioni di laboratorio che in acqua di mare naturale. Ha solo conseguenze minime per l'ambiente perché l'effetto è limitato alle microsuperfici. L'ossido metallico è particolarmente potente quando è presente sotto forma di nanoparticelle perché poi, a causa della maggiore superficie, c'è un effetto catalitico potenziato.
"Nanoparticelle di pentossido di vanadio, a causa della loro scarsa solubilità e del fatto che sono incorporati nel rivestimento, sono notevolmente meno tossici per la vita marina rispetto alle sostanze attive a base di stagno e rame utilizzate nei prodotti disponibili in commercio, " spiega Wolfgang Tremel. A suo avviso, i rivestimenti delle navi a base di pentossido di vanadio potrebbero essere un'alternativa pratica ed economica ai biocidi chimici convenzionali. "Qui abbiamo un componente ecocompatibile per una nuova generazione di vernici antivegetative che utilizzano il meccanismo di difesa naturale utilizzato dagli organismi marini".
Ron Wever, il partner di cooperazione olandese del team dell'Università di Amsterdam, ha studiato questi meccanismi di difesa naturale negli ultimi 15 anni. Ha suggerito di aggiungere l'enzima coinvolto, cioè., aloperossidasi di vanadio, alle vernici antivegetative. I chimici di Magonza stanno ora lavorando insieme a Wever per sviluppare nanoparticelle di pentossido di vanadio. "Le particelle di pentossido di vanadio sono notevolmente più economiche e anche più stabili degli enzimi prodotti geneticamente, " Aggiunge.
Un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Klaus Peter Jochum del Max Planck Institute for Chemistry di Magonza ha condotto esperimenti per determinare se l'uso del pentossido di vanadio potrebbe avere un effetto negativo sull'ambiente. Utilizzando uno spettrometro di massa ICP altamente sensibile, gli scienziati hanno determinato la concentrazione di vanadio in vari campioni di acqua di mare che erano stati esposti al materiale rivestito per diversi periodi di tempo. I risultati hanno mostrato che i livelli erano solo leggermente superiori alla normale concentrazione media di vanadio nell'acqua di mare. Si può quindi concludere che solo piccolissime quantità di vanadio migrano dal rivestimento nell'acqua di mare e quindi non avranno alcun impatto negativo sull'ambiente.
