铜纳米颗粒/铜-21 at%钽薄膜的自组装制备及其高效抗菌性能研究

本研究通过磁控共溅射（co-sputtering）技术在聚酰亚胺（PI）基底上制备Cu-21 at% Ta薄膜，经260℃退火后表面自组装形成平均尺寸85.3 nm的铜纳米颗粒（Cu NPs）。实验证明该材料在105-107 CFU/mL菌浓下1-24小时接触即可实现>99.95%的抗菌率，其机制涉及铜离子释放、活性氧（ROS）作用及纳米颗粒对细菌鞭毛的物理破坏，在食品包装和抗菌材料领域具重要应用价值。

　　

Highlight

铜纳米颗粒/铜-21 at%钽薄膜通过简单物理方法实现卓越抗菌性能

Preparation of samples

采用双靶共溅射法在室温下于聚酰亚胺（PI）基底制备Cu-Ta合金薄膜。实验使用纯Ta靶和Cu靶，基底经无水乙醇、丙酮和去离子水超声清洗。当腔室压力达到5.5×10^-4 Pa时通入45 sccm氩气，在0.5 Pa工作气压下进行沉积，Cu靶和Ta靶的溅射功率分别设置为50 W和150 W。

Micro-morphology of Cu-21 at% Ta thin films

图2(a)-(d)展示了沉积态与退火态Cu-Ta薄膜的微观形貌。沉积态薄膜表面光滑，而退火后自发形成大量纳米颗粒。选区电子衍射（SAED）证实这些颗粒为铜。在非混溶的Cu-Ta体系中，其形成机制主要源于铜钽组分的相分离。由于铜表面能较低，在退火过程中会向表面偏析并自组装为纳米颗粒。

Conclusion

在PI基底上共溅射制备的Cu-21 at% Ta薄膜经260℃退火后，表面自组装形成致密铜纳米颗粒。无论对10⁵ CFU/mL还是10⁷ CFU/mL浓度的大肠杆菌，在24小时或1小时共培养条件下，Cu-21 at% Ta薄膜和银层修饰的Cu-21 at% Ta薄膜均表现出超过99.95%的抗菌率。这种"纳米矛"结构能物理破坏细菌鞭毛，配合铜离子释放和ROS机制，使其在抗菌塑料和食品包装领域具有广阔应用前景。