Estrategias avanzadas para combatir la bioincrustación marina: el papel de los recubrimientos basados en PDMS mejorados con nanomateriales

Los avances en el uso de nanomateriales en los recubrimientos antifouling están revolucionando la protección de estructuras marinas, como cascos de barcos y plataformas, frente a la bioincrustación. Esta problemática, que afecta tanto al rendimiento de las embarcaciones como al medio ambiente, encuentra en los recubrimientos basados en polidimetilsiloxano (PDMS) una solución prometedora. En su artículo publicado en Nano Materials Science, los investigadores Xiaohui Shi, Hao Wei, Wenjun Zhou, Paul E.D. Soto Rodríguez, Cunguo Lin, Lei Wang y Zhijia Zhang analizan cómo la incorporación de nanomateriales mejora la resistencia mecánica y antifouling de estos recubrimientos, sentando las bases para un futuro más sostenible en la industria marítima.

La bioincrustación marina es un fenómeno natural que afecta gravemente la explotación y el transporte marítimos. Este proceso implica la acumulación de organismos marinos en las superficies sumergidas, como cascos de barcos y plataformas, lo que genera una serie de problemas económicos y ambientales. Entre los más destacados, se encuentra el aumento de la fricción y el consiguiente incremento en el consumo de combustible, así como la necesidad de un mayor mantenimiento de las embarcaciones.

Desde mediados del siglo XX, se han desarrollado diversas estrategias antifouling (AF) o antiincrustantes para combatir este problema, siendo las más comunes las que contienen biocidas. No obstante, estos sistemas suelen ser tóxicos para ciertos organismos, contribuyendo a la contaminación marina. Ante esta coyuntura, los recubrimientos de polidimetilsiloxano (PDMS) han surgido como una alternativa más ecológica. Sin embargo, presentan limitaciones, como baja adherencia al sustrato y debilidad mecánica, que han restringido su aplicación. Es aquí donde los avances en nanomateriales proporcionan soluciones innovadoras para mejorar las propiedades del PDMS, potenciando su capacidad antifouling sin comprometer su seguridad ambiental.

La bioincrustación marina, como explican los autores, implica la adhesión de más de 4.000 especies de organismos marinos. Este proceso no solo afecta el rendimiento de los barcos, aumentando su consumo de combustible hasta en un 40%, sino que también contribuye a la emisión de gases contaminantes como CO₂ y SOx. A nivel económico, las pérdidas globales ascienden a miles de millones de dólares anuales, debido a la necesidad de mantenimiento y los tiempos de inactividad de las embarcaciones afectadas.

Entre los métodos desarrollados para combatir la bioincrustación, los recubrimientos antifouling son la solución más efectiva. Los recubrimientos tradicionales que emplean biocidas, aunque efectivos, representan una amenaza significativa para los ecosistemas marinos. Por esta razón, la industria se ha enfocado en desarrollar materiales más seguros, como el PDMS. Este material es apreciado por su bajo costo, su capacidad para reducir la fricción y su compatibilidad con superficies hidrofóbicas. Sin embargo, las desventajas mecánicas del PDMS —como su baja resistencia a los daños y su incapacidad para resistir incrustaciones estáticas— han incentivado la investigación en nanomateriales.

El uso de nanomateriales para mejorar los recubrimientos de PDMS ha sido una de las áreas de investigación más prolíficas en la última década. Según el artículo, los nanomateriales aportan propiedades únicas, como el efecto de tamaño cuántico, el efecto de superficie y el efecto túnel cuántico, lo que los hace ideales para aplicaciones antifouling.

Entre las estrategias desarrolladas, los nanomateriales mejoran tanto la resistencia mecánica como las propiedades antifouling del PDMS. Estos materiales incluyen nanotubos de carbono (CNTs), nanopartículas metálicas y materiales fotocatalíticos como el óxido de zinc (ZnO) y el dióxido de titanio (TiO₂).

Estudios mencionados en el artículo han demostrado que la introducción de solo un 0,1% de CNTs en la matriz de PDMS puede aumentar la resistencia antifouling del recubrimiento en condiciones estáticas, promoviendo una mejor regulación de la colonización inicial de microorganismos. Además, los CNTs pueden reducir la energía superficial del recubrimiento, haciéndolo menos susceptible a la adherencia biológica.

Las nanopartículas metálicas, en particular las de plata (Ag) y cobre (Cu), también han demostrado ser eficaces en la mejora de las propiedades antifouling del PDMS. La plata, por ejemplo, tiene propiedades antibacterianas naturales, lo que la convierte en un excelente aditivo para recubrimientos antifouling. Sin embargo, uno de los principales desafíos es evitar la liberación de iones tóxicos, que pueden dañar el ecosistema marino. El artículo detalla varias estrategias para solucionar este problema, como el uso de técnicas de síntesis por sol-gel para incorporar las nanopartículas de plata en la matriz de PDMS de forma más controlada.

Por otro lado, el uso de nanocubos de óxido de cobre (Cu₂O) ha mostrado resultados prometedores en la reducción de la adhesión de organismos marinos, con tasas de adhesión cercanas a cero durante pruebas de laboratorio de 30 días. Sin embargo, los autores subrayan que es necesario mejorar la estabilidad de la liberación de iones de cobre para evitar efectos secundarios perjudiciales.

Otro avance relevante es el uso de nanopartículas de ZnO y TiO₂, conocidas por su capacidad fotocatalítica. Estos materiales generan especies reactivas de oxígeno (ROS) bajo la exposición a la luz, lo que les otorga propiedades antiincrustantes al descomponer compuestos orgánicos presentes en las superficies marinas. Sin embargo, un desafío clave es que estas propiedades fotocatalíticas solo se activan bajo ciertas longitudes de onda de luz, lo que limita su efectividad en entornos marinos con poca iluminación.

Los recubrimientos que combinan PDMS con nanopartículas de TiO₂ han demostrado ser capaces de mantener superficies limpias durante 360 días en pruebas de campo en agua de mar, lo que resalta su durabilidad y eficacia. A pesar de estos avances, los investigadores señalan la necesidad de seguir investigando formas de optimizar la eficiencia fotocatalítica en condiciones de baja luz para su uso en aplicaciones marinas.

Además, los autores enfatizan que la sostenibilidad es un factor clave en el futuro desarrollo de estos recubrimientos. La investigación actual busca no solo mejorar la eficiencia antifouling sino también reducir el impacto ambiental de los materiales utilizados, fomentando la creación de productos que puedan ser aplicados sin dañar los ecosistemas marinos.

El trabajo presentado por Shi y sus colegas aporta una visión integral del potencial de los recubrimientos de PDMS mejorados con nanomateriales en la lucha contra la bioincrustación marina. A través de la incorporación de nanotecnología, estos revestimientos ofrecen una solución innovadora y sostenible a un problema persistente en el ámbito marítimo. Sin embargo, como subrayan los autores, aún queda trabajo por hacer, especialmente en la optimización de la estabilidad y la eficiencia a largo plazo de estos materiales.

El futuro de la investigación en este campo parece prometedor, con el potencial de desarrollar recubrimientos cada vez más eficaces, duraderos y respetuosos con el medio ambiente, que beneficien tanto a la industria marítima como a la salud de los océanos.

Este reportaje se ha escrito tomando como referencia el artículo 'Advanced strategies for marine antifouling based on nanomaterial-enhanced functional PDMS coatings' publicado en Nano Materials Science (2024), elaborado por los investigadores Xiaohui Shi, Hao Wei, Wenjun Zhou, Paul E.D. Soto Rodríguez, Cunguo Lin, Lei Wang y Zhijia Zhang. Las entidades involucradas incluyen la Harbin Engineering University, el Qingdao Innovation and Development Center, el Luoyang Ship Material Research Institute y el Harbin Institute of Technology, en China, y el Instituto de Estudios Avanzados IUDEA en la Universidad de La Laguna (España).

Los nanomateriales mejoran tanto la resistencia mecánica como las propiedades antifouling de los recubrimientos PDMS

El trabajo presentado por Shi y sus colegas aporta una visión integral del potencial de los recubrimientos de PDMS mejorados con nanomateriales en la lucha contra la bioincrustación marina. Pero los autores resaltan que aún queda trabajo por hacer, especialmente en la optimización de la estabilidad y la eficiencia a largo plazo de estos materiales.