类珊瑚仿生膜—用于防止生物污损的新方法

海洋运输类船舶、海洋军舰等在海水中长时间的浸泡,不可避免的就会遭受海洋生物的污损。在船底附着的海洋生物一方面会导致船舶的航行阻力的增加,从而使船舶航速下降、燃油的消耗增加;另一方面,附着的海洋生物会加快金属材料的腐蚀速度,从而降低船舶使用寿命。美国海军系统司令部估测海洋污损会使船舶航速下降大约2%,并且根据船舶大小差异使燃料消耗增加6%到45%。据报道,全世界舰船每年消耗燃料30亿吨,排放SO2废气900万吨,C02废气达到9.6亿吨。如果舰船不采用防污涂层,海洋污损将会使燃料的消耗增加40%,每年增加燃料费用将达到30亿美元。

除了对能源经济的额外消耗,海洋生物附着还会堵塞海底管道、阀门等,进而使海水中的仪表设备出现故障,此外,海洋污损生物还会影响浮标、阀门、声学仪器等设施的正常使用,这些设备的失灵在战争中将带来灾难性的打击,造成巨大的损失。因此,如何防止海洋污损将会是人们征服海洋过程中的一大障碍。

近期,吉林大学仿生工程教育部重点实验室田丽梅课题组与北京装甲兵学院董世运研究员课题组用简单的方法设计合成了一种新型的类珊瑚仿生膜。该仿生膜以海洋中的珊瑚作为仿生原型,选取硅橡胶RTV-2作为仿生防污薄膜的基材,以多层石墨烯为填料,制备得到了带有具有高弹性的防污膜。该弹性模在流体介质的激励下,会产生微变形,形成不稳定的表面,不给微生物停留所需稳定的平面,达到“驱赶”细菌的作用。通过双向流固耦合模拟方法开展流体介质激励-防污膜谐动响应关系的研究表明,该弹性膜在流体介质的激励下,表面呈现规律的变形,其最大变形达到0.3 μm,响应频率为10 HZ左右,这种规律的谐动响应,会对细菌个体以驱动,不利于其在上面停留。并且这种表面同时还具有很强的负电性、低表面能以及可调节的弹性模量等特点,所有这些物理性质都有利于防止细菌附着。

为了证明这种类珊瑚防污膜防污效果,我们通过添加具有杀菌成分的季铵盐作为对照,并同时进行了静态和动态防污试验。在静态培养24小时内,这几种仿生防污膜都可以有效的防止细菌附着。然后,通过模拟海洋的水槽装置做了动态抑菌试验,结果表明,经过180小时之后,添加石墨烯的防污膜表面没有生物膜形成,而含有季铵盐杀菌成分的膜表面会附着一层厚厚的生物膜。研究结果表明,虽然含有季铵盐的杀菌表面在短时间内可以有效防止细菌附着,但是长时间的动态试验证实,课题组设计的类珊瑚防污膜防污作用更具有长效性。通过电镜观察,我们可以看到,含有季铵盐的防污膜会杀死细菌,并且这种死细菌会附着在防污表面上,且细胞内的胞质成分也会随着细菌的死亡泄露并吸附在防污膜上。这些有机组分不仅会加速条件膜(conditioning film)的形成,而且还会覆盖在材料的表面,使防污表面失去功能。而类珊瑚仿生防污膜不会对细菌造成损伤,只是对细菌进行物理驱赶,因此物理抗菌表面比杀菌表面更具有长效性。

该类珊瑚仿生防污膜对微生物的“驱赶”效应及防污机制,为绿色、长效防污原理及技术的发展提供新思路。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201800480)上。

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