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    世界熱訊:“偷師”大自然:仿生海洋防污技術

    發布時間:2022-07-23 15:34:16 來源:中國科學技術館 責任編輯:caobo

    海洋生物污損指的是海洋中的細菌、藻類、藤壺等在水下表面附著和生長的一種現象。生物污損會增加船體阻力、加速表面腐蝕、破壞螺旋槳,導致額外的油耗和過高的維護成本。額外的油耗加劇了二氧化碳、二氧化硫等氣體的過量排放,影響各國政府對“碳中和”目標的實現。海洋生物污損還對跨海大橋、鉆井平臺、養殖網箱、海底管道等多種水下設施具有負面影響。據統計,海洋生物污損每年給全球海洋工業造成的損失超過150億美元。


    (資料圖)

    木船上的生物污損(Doug Beckers/CC BY-NC-SA 2.0)

    傳統的防污涂層一般通過釋放有毒物質(例如氧化銅、三丁基錫等)殺死污損生物來達到防污效果。然而,研究發現這些有毒物質對非污損生物也具有毒性,并通過食物鏈影響更多物種,甚至包括人類。為了保護海洋生態環境,多個國家相繼頒布了法律來禁止艦舶使用這些有毒防污涂層。2001年,國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)通過禁令,要求從2008年起禁止在船舶表面使用三丁基錫涂層。因此,開發綠色、環保、高效的防污涂層具有非常迫切的需求。

    自然界的生物在長期進化過程中,已經進化出了各自的防污策略來減少生存壓力。例如,海洋中的海豚可以依靠其柔軟的皮膚和高速的游動,使得污損生物難以附著。深入理解這些生物的防污機制,并制備相應的防污涂層應用于水下表面具有十分重要的工程意義。任露泉團隊田麗梅課題組對當前的仿生防污技術進行了系統的總結分類,討論了不同仿生技術的優缺點以及未來的發展方向,針對實際應用中單一仿生技術的局限性,提出了多功能仿生防污涂層概念,討論了目前多功能仿生防污涂層的研究進展,于Progress in Materials Science發表了題為“Bioinspired marine antifouling coatings: Status, prospects, and future”的綜述文章。

    6種主要的仿生防污策略 Copyright2021,Elsevier

    當前主流的仿生海洋防污技術主要有以下6大類(見上圖):

    1.仿生微納表面。微納結構的存在可以減少污損生物和表面之間的附著力,起到防污的功能。當前的應用挑戰在于微納結構的機械性能差,極小的外力都會在微納結構上造成應力的過度集中,導致微納結構的損壞,最終喪失防污性能。因此,開發健壯的微納表面是重要的發展方向。

    2.天然防污劑。珊瑚、藻類、辣椒等會分泌天然防污劑驅趕、毒殺或抑制細菌和其他生物的生長。提取這些化學物質,或者人工合成類似物用于防污涂層是一種有效的防污策略。需要注意的是,這些天然化學物質對海洋環境的潛在風險需要充分評估。

    3.仿生水凝膠。魚類和兩棲動物表皮黏液的主要成分是一種天然的水凝膠,柔軟且具有親水性。氫鍵和靜電作用在表面誘導形成水化層,這一水化層對污損生物形成了一個物理屏障,從而起到抗黏附的功能。然而,水凝膠力學性能差、與基底結合強度低、長期使用效果差是其應用的障礙。

    4.超光滑表面。豬籠草捕蟲瓶瓶口的邊緣始終處于潤濕狀態,潤濕的瓶口十分光滑,昆蟲很容易滑落瓶中被其消化吸收。這種超光滑表面形成的關鍵在于其捕蟲瓶瓶口的多孔網狀微納結構,這種結構能夠在鎖住液體潤滑層的同時,賦予液體潤滑層在多孔結構中流動的特性。蚯蚓通過皮膚分泌潤滑液,在土壤中以低阻力穿行,同時減少污染物的附著。模仿這種超光滑特性制備的海洋防污表面,幾乎可以抵御任何污損生物的附著。然而在流體環境下,潤滑液的易失性是一大挑戰。模仿蚯蚓的分泌功能,研制可以分泌潤滑液的新型材料,可能是解決這一難題的有效途徑。

    5.仿生動態表面。海洋中的一些藻類會采用蛻皮的方式來清潔表面的污損生物;海豚、軟珊瑚等具有柔軟表面的生物,在流體作用下,其表面一直發生變形,形成一種不穩定的表面,這增加了污損生物定居的難度,即使污損生物附著在其表面,也會在形變作用下從表面脫附。因此,采用可控降解的表面來模仿藻類的蛻皮效果,或者采用柔軟的材料模仿海豚、軟珊瑚的皮膚結構,可以起到防污功能。

    6.兩性離子聚合物。磷脂酰膽堿(phosphatidycholine)存在于人體的所有細胞中,是細胞脂質雙分子層的重要組成部分。磷脂酰膽堿頭部基團是帶有等量異種電荷的兩性離子,可以降低血小板和蛋白質的黏附,具有抗血液凝結的作用。由于海洋中的細菌和硅藻通過分泌胞外聚合物(主要成份是蛋白質、多糖等)來促進黏附,貽貝和藤壺依靠自身分泌的蛋白質在固體表面定居,因此兩性離子聚合物可以減少這些污損生物的附著。當前應用的挑戰在于其長期防污效果差,開發長效的此類防污涂層已經取得初步的進展。

    在實際的海洋環境中,上述單一的仿生防污策略可能缺乏廣譜防污性能,并且可能由于復雜的海洋環境或物理破壞而失效。本課題組的研究發現,海洋生物通常使用多種防污策略來減少生物污損。例如,軟珊瑚至少具有4種防污策略,包括柔軟的皮膚、天然防污劑、觸手的擺動和蛻皮效應等,這些協同作用賦予涂層多種防污功能,包括殺菌、抗附著等功能。多功能仿生防污技術有望解決單一仿生防污策略的局限性。該策略結合了多種仿生防污策略的協同優勢,有助于提高涂層的防污性能和使用壽命。有理由相信,在不久的未來,仿生海洋防污技術將迎來一個蓬勃發展的時期。

    本文來自《科學通報》

    標簽: 污損生物 防污涂層 海洋生物 海洋環境 生物污損

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