Grupa istraživača na čelu sa inženjerima Univerziteta Massachusetts Amherst kreirala je staklo koje emituje ultraljubičaste (UV) zrake koje može smanjiti rast biofilma za 98% na površinama u podvodnom okruženju, kako je objavljeno u časopisu Biofilm.
Biofilm je ljigav sloj različitih vrsta mikroorganizama koji raste na vlažnim površinama. „Ako pogledate niz sudoper i dodirnete unutrašnju stranu – ta sluzava supstanca je biofilm“, kaže Marijana Lanzarini-Lopes, docentka za građevinsko i ekološko inženjerstvo na UMass Amherst, i odgovarajući autor u radu.
Biofilm je značajan problem za podvodne aplikacije. Mornarica Sjedinjenih Država procenjuje da biofilm košta njenu flotu između 180 i 260 miliona dolara godišnje. Rast biofilma na svim podvodnim površinama povećava otpor broda i naknadnu upotrebu goriva, kao i oštećenja od korozije na brodovima ili okeanografskoj opremi.
Biofilm takođe može zamagliti prozore koji se koriste za kamere i druge senzorske uređaje koji se oslanjaju na transparentnost i transportuju alohtone vrste preko mora.
Trenutna rešenja za bavljenje biofilmom oslanjaju se na hemijske agense kao što su biocidni premazi koji ubijaju organizme ili nelepljive prevlake kako bi se sprečilo vezivanje biofilma. Međutim, ove metode mogu imati negativne efekte na ekosistem i traju samo kratko.
Kao alternativu ovim hemijskim metodama, tim UMass Amherst razvio je staklo otporno na biofilm koristeći UVC zračenje, najkraće i najefikasnije u dezinfekciji talasne dužine UV zračenja.
Lopesova laboratorija je već pokazala da optičko vlakno koje emituje UV bočno može da distribuira UVC zračenje u malim kanalima, kao što su medicinska oprema (npr. endoskopi, kateteri i respiratori), kućni uređaji (aparati za kafu i frižideri) i sistemi za skladištenje/distribuciju vode (cevi, bešike , membrane) za inaktivaciju patogenih organizama i sprečavanje rasta bakterija na površinama.
„Mnogi ljudi znaju za UV za dezinfekciju površina, vazduha i vode“, kaže Lopes. „Ljudi su počeli da ga koriste mnogo više, posebno zato što je bio zaista efikasan za dezinfekciju virusa SARS-CoV-2.
Međutim, u podvodnom okruženju, to nije tako jednostavno kao sijanje UV svetlosti na staklo. „Ne možemo da koristimo tradicionalne izvore svetlosti za ravnomernu distribuciju svetlosti na površini“, iz nekoliko razloga, kaže Leila Alidokht, postdoktorska istraživačka saradnica u Lopesovoj laboratoriji i vodeći autor studije. Svetlost postaje slabija kako se udaljava od izvora, što otežava pokrivanje velikih površina. UV talasi takođe mogu biti poremećeni zbog toga koliko je mutna okolna voda.
Neravnomerna distribucija UV svetlosti daje uporište mikroorganizmima koji formiraju biofilm i ostavlja celu površinu ranjivom: „Ako se biofilm može pričvrstiti za deo površine, može se proširiti na druge delove“, dodaje ona.
Rešenje tima je premaz silicijum-nanočestica na staklu. „UV LED je povezan sa poprečnim presekom stakla“, opisuje Alidokht. „Kako UV ulazi u staklo, mi rasipamo UV iz unutrašnjosti stakla ka spolja“, koristeći ove nanočestice koje rasipaju svetlost. Silicijum ne apsorbuje UV zrake. Talasi nastavljaju da se odbijaju od nanočestica i kroz unutrašnjost stakla što omogućava ravnomerno „svetleće“ staklene površine.
Da bi ga testirali, istraživači su, u partnerstvu sa Florida Tech i mornaricom, potopili ovo staklo koje emituje UV zrake u vode Port Kanaverala na Floridi na 20 dana. U poređenju sa neobrađenim staklom, ovo staklo je smanjilo rast vidljivog biofilma za 98%.
„Suprotno tehnici spoljašnjeg UV zračenja, staklo koje emituje UV inhibira formiranje biofilma direktno na površini od interesa – sama površina služi kao UVC izvor“, kaže Alidokht.
Ona je uzbuđena što ovo otkriće otvara vrata za različite primene dezinfekcije. „Razvijena tehnologija se može koristiti za dezinfekciju providnih površina kao što su prozori brodova, plutajuće sfere i usidrene bove, sočiva kamera i senzori za okeanografske, poljoprivredne i aplikacije za tretman vode“, kaže ona.
Tim je dobio privremeni patent za svoje otkriće.
Sada kada je tim dokazao da se ovo staklo efikasno odupire formiranju biofilma (poznato kao bioobraštanje), oni su uzbuđeni da optimizuju svoje otkriće: testiranje dugoročnih aplikacija, procenu bilo kakvih uticaja na životnu sredinu i stvaranje većih površina.
Još jedna buduća avenija istraživanja: „Takođe pokušavamo da sprečimo biofilm na sočivima kamere“, dodaje Lopes. „Glavni inhibitor dužine vremena za postavljanje [podvodnih kamera] je bioobraštanje, tako da sve dok možete da smanjite stopu bioobraštanja, možete povećati koliko dugo koristite svu ovu optičku opremu.“
