具有高油滞留性和抗生物污损特性的双功能防污表面

《Journal of Materials Science & Technology》：Dual-functional antifouling surfaces with high oil-retention and anti-biofouling

钛合金表面开发银镀疏水防污层（SSAS）实现油锁与银离子协同释放，油保留率提升250.78%，银离子释放量达传统纳米颗粒涂层的175倍，有效抑制蛋白质吸附、细菌定植及藤壶等生物污垢，解决SLIPS润滑剂耗竭问题。

　　钛合金因其卓越的耐腐蚀性、低密度、高强度以及出色的抗冲击性能，被誉为“海洋金属”，在海洋工程领域广泛应用，包括深海潜水器、船舶部件、热交换器和冷凝管等。然而，其高度的生物相容性成为了一个显著的缺点，使得钛合金在海洋环境中极易受到生物污损的影响。生物污损不仅会增加材料和设备的维护成本，还可能威胁海洋基础设施的安全性。因此，如何有效解决钛合金在海洋环境中的生物污损问题，成为了一个亟需攻克的挑战。

近年来，受到自然界生物附着机制的启发，研究人员开发出了一系列具有生态友好特性的抗污损表面。这些表面通常通过调控疏水性和生物附着之间的相互作用，实现高效的抗污损功能。例如，受荷叶效应启发的超疏水表面，因其表面微纳结构能够有效排斥水滴，被广泛研究。然而，这类表面在受到水动力剪切力或低表面张力液体的影响时，结构内部的空气容易逸出，导致表面从Cassie-Baxter状态转变为Wenzel状态，从而降低了其抗污损能力。因此，单一依赖物理机制的抗污损表面在面对复杂海洋环境时存在一定的局限性。

为了解决上述问题，Aizenberg等人于2011年提出了一种新型的抗污损表面——滑腻液体浸润多孔表面（SLIPS）。这种表面通过在多孔结构中填充润滑液体，形成了一种特殊的滑腻界面，能够有效促进液滴的滑动，从而抑制蛋白质和细菌的附着。SLIPS在海洋工程中展现出显著的抗污损潜力，但其实际应用仍受到润滑液流失问题的严重制约。一旦表面受损或润滑液被消耗，SLIPS的抗污损性能会迅速下降，影响其长期稳定性。

针对这一问题，研究人员开始探索结合物理和化学双重机制的抗污损策略。这类策略通常通过在表面引入具有抗菌性能的材料，如银基抗菌剂，以增强抗污损效果。银基抗菌剂因其广谱抗菌能力、长期稳定性以及良好的生物相容性，被认为是开发高效抗污损材料的重要方向。然而，传统的银基抗污损表面往往存在银离子含量不足、释放速率不理想以及银颗粒与基底之间的结合力较弱等问题，限制了其实际应用效果。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种银镀层滑腻抗污损表面（SSAS）。该表面结合了物理和化学双重抗污损机制，通过激光加工、电沉积、表面改性和硅油浸润等步骤制备而成。SSAS的核心结构是基于激光加工在TC4基底（Ti-6Al-4V）上形成的微纳网格图案，这一结构不仅提供了良好的表面粗糙度，还通过电沉积过程中产生的“尖端效应”显著增加了油存储空间，从而大幅提升了油的保留能力。实验结果显示，SSAS的油保留量比传统SLIPS提高了250.78%，并且在强水流和强气流冲击下，油的流失率低于30%，仅为传统SLIPS的一半左右。这表明SSAS在物理抗污损方面具有明显优势。

此外，SSAS表面还覆盖了一层致密的银镀层，该镀层能够实现持续的Ag?释放。与传统的银纳米颗粒（Ag-NPs）或SLIPS表面相比，SSAS的Ag?释放速率提高了约175倍。这种持续释放的Ag?能够有效抑制多种污损生物的附着，包括细菌、硅藻以及藤壶和牡蛎等大型附着生物。因此，SSAS不仅具备出色的物理抗污损性能，还具有显著的化学抗污损能力，从而实现了广谱抗污损效果。

本研究的创新之处在于，通过物理和化学机制的协同作用，成功克服了传统抗污损材料在润滑液流失和银离子释放不足方面的缺陷。实验结果表明，SSAS在多个方面都优于传统SLIPS和银基抗污损表面。首先，其油保留能力显著增强，能够在恶劣的海洋环境中维持稳定的润滑层。其次，其银离子释放速率远高于传统材料，为抗污损提供了持续的化学屏障。最后，SSAS的表面结构设计使其在面对不同类型的污损生物时表现出良好的抗附着性能，包括蛋白质吸附、细菌定植、硅藻附着以及藤壶和牡蛎的宏观污损。

从实际应用角度来看，SSAS具有广阔的前景。在海洋工程中，抗污损材料的应用范围广泛，涵盖了船舶、海洋平台、水下设备等多个领域。传统的抗污损材料往往需要频繁维护和更换，增加了运营成本。而SSAS的高耐用性和低维护需求，使其成为一种理想的替代方案。此外，随着全球对环保材料的重视，SSAS的生态友好特性也符合当前的发展趋势。相比传统的有毒抗污损剂，如三丁基锡，SSAS在实现高效抗污损的同时，避免了对海洋生态系统的潜在危害。

本研究不仅在材料设计上取得了突破，还在实验方法和性能评估方面进行了深入探索。通过自清洁测试、蛋白质吸附实验、细菌定植实验、硅藻附着实验以及藤壶和牡蛎的宏观污损测试，全面验证了SSAS的抗污损性能。实验结果表明，SSAS在各种测试条件下均表现出优异的抗污损能力，特别是在长期使用和复杂环境条件下，其性能稳定性显著优于传统材料。这一发现为开发高性能抗污损材料提供了新的思路，也为海洋工程中抗污损材料的设计和应用奠定了理论基础。

从技术角度来看，SSAS的制备过程融合了多种先进材料加工技术，包括激光加工、电沉积和硅油浸润等。这些技术的结合不仅提高了表面结构的可控性和均匀性，还增强了表面的物理和化学性能。例如，激光加工能够精确控制表面微纳结构的形貌，从而优化油的存储和释放特性；电沉积则能够形成致密的银镀层，提高银离子的释放效率；而硅油浸润则确保了表面的滑腻特性，增强了对污损生物的排斥能力。这种多步骤的制备方法为实现高性能抗污损材料提供了可行的技术路径。

在材料科学领域，SSAS的出现标志着抗污损材料研究的一个重要进展。传统抗污损材料往往依赖单一机制，而SSAS通过物理和化学机制的协同作用，实现了更全面的抗污损性能。这种多机制协同的设计思路，为未来的抗污损材料研究提供了新的方向。同时，SSAS的高耐用性和低维护需求，也使其在实际应用中具有更高的经济性和可行性。

此外，SSAS的研究成果还具有重要的科学意义。通过深入探讨物理和化学机制的相互作用，研究人员能够更全面地理解抗污损材料的工作原理，从而为优化材料性能提供理论支持。例如，SSAS的“尖端效应”不仅提高了油的保留能力，还可能对其他类型的抗污损材料设计产生启发。这种效应的机制可能涉及电沉积过程中电极表面的物理特性变化，从而影响液体在多孔结构中的存储和释放行为。未来的研究可以进一步探索这一效应的形成机制，以及其在其他材料体系中的应用潜力。

从环境角度来看，SSAS的生态友好特性使其成为替代传统有毒抗污损剂的理想选择。随着全球对海洋环境保护意识的增强，开发低毒或无毒的抗污损材料已成为行业的重要趋势。SSAS不仅能够有效抑制污损生物的附着，还避免了对海洋生态系统的潜在危害，符合可持续发展的要求。因此，SSAS的推广和应用，将有助于减少海洋污染，提高海洋工程的安全性和环保性。

综上所述，SSAS作为一种结合物理和化学双重机制的新型抗污损材料，展现出卓越的性能优势。其高油保留能力、持续的Ag?释放以及广谱的抗污损效果，使其在海洋工程领域具有重要的应用价值。未来，随着材料科学和表面工程技术的不断发展，SSAS的设计理念和制备方法有望进一步优化，为解决海洋生物污损问题提供更加高效和可持续的解决方案。