Wetenschappers van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) in Duitsland hebben ontdekt dat kleine vanadiumpentoxide-nanodeeltjes de groei van zeepokken kunnen remmen, bacteriën, en algen op oppervlakken die in contact komen met water, zoals scheepsrompen, zeeboeien, of offshore-platforms. Hun experimenten toonden aan dat stalen platen waarop een coating met gedispergeerde vanadiumpentoxidedeeltjes was aangebracht, wekenlang aan zeewater konden worden blootgesteld zonder de vorming van afzettingen van zeepokken, bacteriën, en algen. In vergelijking, platen die alleen waren gecoat met de normale verf van het schip vertoonden enorme vervuiling na blootstelling aan zeewater gedurende dezelfde periode. De ontdekking zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe beschermende, aangroeiwerende coatings en verven die minder belastend zijn voor het milieu dan de scheepscoatings die momenteel worden gebruikt.

Marine fouling is een probleem dat de scheepvaart meer dan 200 miljard dollar per jaar kost. De ophoping van organismen zoals algen, mosselen, en zeepokken verhogen de waterbestendigheid van de objecten en, als gevolg, brandstofverbruik. Dit betekent extra kosten voor rederijen en, nog erger, verhoogde milieuschade door extra CO ₂ uitstoot. Binnen slechts enkele maanden, een onderwaterschip kan volledig worden bedekt en begroeid met organismen. Volgens Lloyd's, dit betekent een stijging van het brandstofverbruik tot 28 procent en ongeveer 250 miljoen ton extra CO ₂ uitstoot per jaar. Hoewel het mogelijk is om dit effect enigszins tegen te gaan door het gebruik van aangroeiwerende verven, conventionele biociden zijn minder effectief en kunnen nadelige gevolgen hebben voor het milieu. In aanvulling, micro-organismen kunnen er resistentie tegen ontwikkelen.

Het was een van de eigen verdedigingsmechanismen van de natuur die de inspiratie vormde voor de benadering die nu wordt gevolgd door het team van wetenschappers dat werkt onder professor Dr. Wolfgang Tremel van het Institute of Anorganic Chemistry and Analytical Chemistry bij JGU. Bepaalde enzymen die in bruine en rode algen worden aangetroffen, produceren halogeenverbindingen die een biocide potentieel hebben. Aangenomen wordt dat deze door de algen worden gesynthetiseerd om ze te beschermen tegen microbiële aanvallen en roofdieren. De chemici van de Universiteit van Mainz besloten dit proces na te bootsen met nanodeeltjes van vanadiumpentoxide. Volgens hun artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , vanadiumpentoxide (V ₂ O ₅ ) nanodeeltjes hebben "een intrinsieke biomimetische bromeringsactiviteit […] waardoor ze een praktisch en kostenefficiënt alternatief zijn voor conventionele chemische biociden." Vanadiumpentoxide fungeert als katalysator, zodat waterstofperoxide en bromide samen kleine hoeveelheden onderbromig zuur vormen, dat zeer giftig is voor veel micro-organismen en een uitgesproken antibacterieel effect heeft. De benodigde reactanten zijn aanwezig in zeewater:dit bevat al bromide-ionen, terwijl kleine hoeveelheden waterstofperoxide worden gevormd wanneer het wordt blootgesteld aan zonlicht.

Het proces is zowel onder laboratoriumomstandigheden als in natuurlijk zeewater aangetoond. Het heeft slechts zeer minimale gevolgen voor het milieu omdat het effect zich beperkt tot micro-oppervlakken. Het metaaloxide is bijzonder krachtig wanneer het in de vorm van nanodeeltjes aanwezig is, omdat dan door het grotere oppervlak, er is een versterkt katalytisch effect.

"Vanadiumpentoxide nanodeeltjes, vanwege hun slechte oplosbaarheid en het feit dat ze zijn ingebed in de coating, aanzienlijk minder giftig zijn voor het leven in zee dan de werkzame stoffen op tin- en koperbasis die in de in de handel verkrijgbare producten worden gebruikt, " legt Wolfgang Tremel uit. Naar zijn mening, scheepscoatings op basis van vanadiumpentoxide kunnen een praktisch en kosteneffectief alternatief zijn voor conventionele chemische biociden. "Hier hebben we een milieuvriendelijke component voor een nieuwe generatie aangroeiwerende verven die gebruik maken van het natuurlijke afweermechanisme dat door mariene organismen wordt gebruikt."

Ron Wever, de Nederlandse samenwerkingspartner van het team van de Universiteit van Amsterdam, heeft de afgelopen 15 jaar dergelijke natuurlijke afweermechanismen onderzocht. Hij stelde voor het betrokken enzym toe te voegen, d.w.z., vanadiumhaloperoxidase, tot aangroeiwerende verven. De chemici in Mainz werken nu samen met Wever aan de ontwikkeling van nanodeeltjes van vanadiumpentoxide. "Vanadiumpentoxidedeeltjes zijn aanzienlijk goedkoper en ook stabieler dan genetisch geproduceerde enzymen, " hij voegt toe.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Klaus Peter Jochum van het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz heeft experimenten uitgevoerd om te bepalen of het gebruik van vanadiumpentoxide een negatief effect op het milieu kan hebben. Met behulp van een zeer gevoelige ICP-massaspectrometer, de wetenschappers bepaalden de concentratie vanadium in verschillende monsters van zeewater die gedurende verschillende tijdsperioden aan het gecoate materiaal waren blootgesteld. De resultaten toonden aan dat de niveaus slechts licht verhoogd waren boven de normale gemiddelde vanadiumconcentratie in zeewater. Er kan dus worden geconcludeerd dat slechts zeer kleine hoeveelheden vanadium vanuit de coating naar het zeewater migreren en dus geen negatieve impact hebben op het milieu.