世界熱訊:“偷師”大自然：仿生海洋防污技術(shù)

海洋生物污損指的是海洋中的細(xì)菌、藻類、藤壺等在水下表面附著和生長的一種現(xiàn)象。生物污損會(huì)增加船體阻力、加速表面腐蝕、破壞螺旋槳，導(dǎo)致額外的油耗和過高的維護(hù)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(duì)“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。海洋生物污損還對(duì)跨海大橋、鉆井平臺(tái)、養(yǎng)殖網(wǎng)箱、海底管道等多種水下設(shè)施具有負(fù)面影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋生物污損每年給全球海洋工業(yè)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(tǒng)的防污涂層一般通過釋放有毒物質(zhì)（例如氧化銅、三丁基錫等）殺死污損生物來達(dá)到防污效果。然而，研究發(fā)現(xiàn)這些有毒物質(zhì)對(duì)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(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，多個(gè)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(fā)綠色、環(huán)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(jìn)化過程中，已經(jīng)進(jìn)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(dòng)，使得污損生物難以附著。深入理解這些生物的防污機(jī)制，并制備相應(yīng)的防污涂層應(yīng)用于水下表面具有十分重要的工程意義。任露泉團(tuán)隊(duì)田麗梅課題組對(duì)當(dāng)前的仿生防污技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)分類，討論了不同仿生技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來的發(fā)展方向，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中單一仿生技術(shù)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(jìn)展，于Progress in Materials Science發(fā)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(dāng)前主流的仿生海洋防污技術(shù)主要有以下6大類（見上圖）：

1.仿生微納表面。微納結(jié)構(gòu)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(dāng)前的應(yīng)用挑戰(zhàn)在于微納結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能差，極小的外力都會(huì)在微納結(jié)構(gòu)上造成應(yīng)力的過度集中，導(dǎo)致微納結(jié)構(gòu)的損壞，最終喪失防污性能。因此，開發(fā)健壯的微納表面是重要的發(fā)展方向。

2.天然防污劑。珊瑚、藻類、辣椒等會(huì)分泌天然防污劑驅(qū)趕、毒殺或抑制細(xì)菌和其他生物的生長。提取這些化學(xué)物質(zhì)，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(xué)物質(zhì)對(duì)海洋環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn)需要充分評(píng)估。

3.仿生水凝膠。魚類和兩棲動(dòng)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(dǎo)形成水化層，這一水化層對(duì)污損生物形成了一個(gè)物理屏障，從而起到抗黏附的功能。然而，水凝膠力學(xué)性能差、與基底結(jié)合強(qiáng)度低、長期使用效果差是其應(yīng)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(tài)，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(guān)鍵在于其捕蟲瓶瓶口的多孔網(wǎng)狀微納結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠在鎖住液體潤滑層的同時(shí)，賦予液體潤滑層在多孔結(jié)構(gòu)中流動(dòng)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(shí)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(huán)境下，潤滑液的易失性是一大挑戰(zhàn)。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(dòng)態(tài)表面。海洋中的一些藻類會(huì)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(fā)生變形，形成一種不穩(wěn)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(huì)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(jié)構(gòu)，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(xì)胞中，是細(xì)胞脂質(zhì)雙分子層的重要組成部分。磷脂酰膽堿頭部基團(tuán)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(zhì)的黏附，具有抗血液凝結(jié)的作用。由于海洋中的細(xì)菌和硅藻通過分泌胞外聚合物（主要成份是蛋白質(zhì)、多糖等）來促進(jìn)黏附，貽貝和藤壺依靠自身分泌的蛋白質(zhì)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(dāng)前應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于其長期防污效果差，開發(fā)長效的此類防污涂層已經(jīng)取得初步的進(jìn)展。

在實(shí)際的海洋環(huán)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(fù)雜的海洋環(huán)境或物理破壞而失效。本課題組的研究發(fā)現(xiàn)，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(dòng)和蛻皮效應(yīng)等，這些協(xié)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(shù)有望解決單一仿生防污策略的局限性。該策略結(jié)合了多種仿生防污策略的協(xié)同優(yōu)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(shù)將迎來一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。

本文來自《科學(xué)通報(bào)》

標(biāo)簽： 污損生物 防污涂層 海洋生物 海洋環(huán)境 生物污損