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大連理工大學(xué)劉新教授團(tuán)隊(duì) CEJ：受藍(lán)環(huán)章魚(yú)啟發(fā)的具有物化雙效抗污性能的滑移涂層
2023-11-22  來(lái)源：高分子科技

  海洋工程裝備是海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要發(fā)展對(duì)象之一，但裝備表面深受海洋生物污損的嚴(yán)重困擾。為了有效降低生物污損的影響，涂層防護(hù)法是解決該問(wèn)題最快捷、最高效的方式之一。值得注意的是，近年來(lái)受生物啟發(fā)的超滑移表面在防污防腐和自清潔領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管超滑移表面在動(dòng)態(tài)防污性能方面表現(xiàn)良好，但在靜態(tài)防污性能方面仍存在不足，制約了其進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。


  近期，大連理工大學(xué)高性能精密成型與模具研究所劉新教授團(tuán)隊(duì)觀察到藍(lán)環(huán)章魚(yú)可以依靠“抓不住”和“靠不近”的秘訣來(lái)逃避捕食者的抓捕，即，光滑表皮的物理防護(hù)以及釋放毒液的化學(xué)趨避。受此防御行為啟發(fā)，該課題組制備了一種具有物化雙效抗污性能的滑移涂層（示意圖如圖1）。滑移低表面能體系由天然低表面能材料-硅氧烷提供，抗菌劑為辣椒堿，其通過(guò)氫鍵與硅氧烷進(jìn)行緊密的網(wǎng)絡(luò)連接。在生物污損初期，細(xì)菌分泌的大量弱酸性胞外聚合物會(huì)引發(fā)局部表面呈弱酸性，加速了涂層中辣椒堿的分泌，進(jìn)一步提高滑移表面的抗污性能；另外，辣椒堿在涂層內(nèi)的分布以及擴(kuò)散速率也通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真模擬進(jìn)行了雙向驗(yàn)證（圖2）。相比于金屬表面以及低表面能涂層PDMS表面，該涂層具有更優(yōu)異的自清潔（圖3）、蛋白粘附、抗菌粘附和抗藻粘附性能（圖4）。此外，在海洋生物繁殖旺盛的夏季，將該涂層置于海中懸掛65天后（圖5），未觀察到明顯污損粘附，表明該涂層具有良好的防污能力。同時(shí)，對(duì)涂層的抗粘附性能進(jìn)行了理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。綜上，該涂層在海洋防污領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。相關(guān)內(nèi)容以“Blue-ringed Octopus inspired Slippery Coating with Physico-chemical Synergistic Antifouling Properties”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》。文章第一作者是大連理工大學(xué)博士周瑜陽(yáng)，導(dǎo)師為劉新教授。


圖 1. 受藍(lán)環(huán)章魚(yú)啟發(fā)的抗污滑移涂層以及其應(yīng)用示意圖 


圖 2. 辣椒堿的分布表征。(a)原始滑移涂層的EDS圖譜；(b)泡水7天后的滑移涂層表面 EDS圖譜；(c)泡水并加熱后的滑移涂層表面的EDS圖譜。(d)不同處理后的滑移涂層的FITR光譜。(e)辣椒堿的浸出測(cè)試。(f) pH=5、7 和 9 時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和仿真模擬的辣椒素浸出率。(g)不同分子的化合物結(jié)構(gòu)和結(jié)合能。(h) 辣椒堿在不同 pH 值體系中的分布示意圖。 


圖 3. 自清潔實(shí)驗(yàn) 


圖 4. 抗粘附實(shí)驗(yàn) 


圖 5. 實(shí)海掛片實(shí)驗(yàn)


  綜上，本研究基于藍(lán)環(huán)章魚(yú)“抓不住”和“靠不近”的防御行為制備了含有環(huán)保抗菌劑的滑移抗污涂層。該涂層通過(guò)滑表面和抗菌劑物化協(xié)同作用高效抗污，同時(shí)具有弱酸響應(yīng)，辣椒堿分泌加速，提高抗污性能。在生物繁殖旺季65天內(nèi)，該涂層顯示了高效的抗污能力，在防污領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147177

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