將無鍍膜石英玻璃和仿生金剛石薄膜(mo)浸(jin)泡于生長綠藻的海水環境(jing)中，14天前(qian)后的照片和熒光(guang)顯微鏡圖像對比(bi)。

荷(he)(he)葉為何出(chu)淤泥而不染？因為荷(he)(he)葉的(de)表(biao)面(mian)結構具有超疏水、防(fang)粘(zhan)(zhan)附的(de)特點。借鑒(jian)這一現象(xiang)，中科院深圳先(xian)進技術研(yan)(yan)究院研(yan)(yan)究員唐永炳、趙穎團隊(dui)，研(yan)(yan)發出(chu)一種兼(jian)具自清(qing)潔(jie)、抗菌、抗生(sheng)物粘(zhan)(zhan)附、抗磨損以及抗腐蝕特性的(de)新型仿生(sheng)金剛石功能膜，相關成果近(jin)期發表(biao)于《ACS應用(yong)材料與界面(mian)》。

“在(zai)海(hai)水中(zhong)，微(wei)生(sheng)(sheng)物在(zai)海(hai)洋儀器上(shang)粘(zhan)附和(he)聚集，會(hui)導(dao)致(zhi)儀器污損、功(gong)能退化，影響(xiang)海(hai)洋工業(ye)的(de)發展(zhan)，甚至產生(sheng)(sheng)數以億元計的(de)經(jing)濟損失。而在(zai)醫療器件(jian)上(shang)的(de)細菌(jun)附著，會(hui)產生(sheng)(sheng)感(gan)染，影響(xiang)人體健康(kang)。”團(tuan)隊(dui)成(cheng)員王(wang)陶表(biao)示，該成(cheng)果能夠為醫療防護和(he)海(hai)洋儀器防污領域提供解決(jue)方(fang)案。

低成本的新型制備方式

水珠(zhu)滴(di)在(zai)荷(he)葉(xie)表面，很快就滾落下(xia)來，這究(jiu)竟(jing)是什么原理？原來，荷(he)葉(xie)表面具有(you)微(wei)納(na)結構，帶有(you)小刺，因此它的接觸角很大，臟污(wu)和(he)水珠(zhu)都(dou)不容(rong)易附(fu)著。研究(jiu)團隊(dui)將這一(yi)概念運用(yong)到了研究(jiu)中。

與金(jin)(jin)剛石薄(bo)膜傳統(tong)制備方法(fa)不同(tong)，團隊自主(zhu)研發了一種“分步植晶(jing)氣相(xiang)沉積(ji)法(fa)”，選取金(jin)(jin)剛石納(na)米粉作為鍍膜材(cai)料，在前處(chu)理過程中獨創性(xing)地采用“兩次植晶(jing)”，成功(gong)構造出(chu)均勻、可控，且具有植物葉片仿(fang)生結構的超疏水微納(na)分級(ji)金(jin)(jin)剛石功(gong)能膜。

“由于傳統的金(jin)剛(gang)石(shi)納米粉快速團聚，難(nan)以控(kong)制(zhi)吸附密(mi)(mi)度(du)和均勻性(xing)，制(zhi)備的金(jin)剛(gang)石(shi)微納結構疏(shu)密(mi)(mi)程度(du)不均勻、難(nan)以控(kong)制(zhi)，導(dao)致無法(fa)調控(kong)出各種性(xing)能，金(jin)剛(gang)石(shi)的超疏(shu)水、抗(kang)菌等功效就不能很好(hao)地發揮出來了。”王(wang)陶說道(dao)。

“所(suo)謂(wei)兩次植(zhi)晶(jing)就(jiu)像‘種(zhong)種(zhong)子’一(yi)樣，”王陶比喻(yu)道(dao)，“第(di)一(yi)次植(zhi)晶(jing)，先將(jiang)金剛石(shi)納(na)米粉(fen)處理(li)(li)成與材料表(biao)面(mian)具(ju)有相(xiang)同(tong)電性(xing)，根(gen)據(ju)同(tong)電相(xiang)斥(chi)的(de)原理(li)(li)，會長出(chu)(chu)一(yi)層(ceng)疏散且(qie)均(jun)(jun)勻(yun)的(de)薄(bo)膜；在第(di)二次植(zhi)晶(jing)時，將(jiang)金剛石(shi)納(na)米粉(fen)處理(li)(li)成與材料表(biao)面(mian)具(ju)有不同(tong)電性(xing)，根(gen)據(ju)異電相(xiang)吸(xi)的(de)原理(li)(li)，金剛石(shi)納(na)米粉(fen)可(ke)以很好地(di)填(tian)滿材料表(biao)面(mian)，從而長出(chu)(chu)一(yi)層(ceng)均(jun)(jun)勻(yun)致(zhi)密(mi)且(qie)帶有微(wei)納(na)結構的(de)薄(bo)膜。”

據她(ta)介紹(shao)，“兩(liang)次(ci)植晶”無需使用(yong)常規制備(bei)方法所用(yong)到(dao)的昂貴儀器就(jiu)能制備(bei)具有微(wei)納結構的金剛石(shi)薄膜，制備(bei)成(cheng)本要(yao)低(di)很多(duo)。

醫療、海洋防護領域的新星

在海洋作業的船只通常使用涂料來保護船體不受海洋微生物的附著和(he)腐蝕。然(ran)而，對于一些(xie)海洋精密儀器的防護，目前(qian)還未有很好(hao)的方(fang)法。

釋放重金屬離子的生物殺滅(mie)材料會影響海(hai)洋生態，聚合物等抗(kang)(kang)粘(zhan)(zhan)(zhan)附材料又存在機械性能差、化學穩定性低(di)等缺點，影響其抗(kang)(kang)生物粘(zhan)(zhan)(zhan)附的持(chi)久性。因此，發展環保(bao)長效(xiao)的抗(kang)(kang)粘(zhan)(zhan)(zhan)附、抗(kang)(kang)腐蝕等的特質材料尤為重要。

研究團隊通過模擬復雜(za)的(de)海洋環(huan)境(jing)，對研發(fa)的(de)新(xin)型仿生(sheng)金(jin)剛(gang)石薄(bo)膜(mo)進(jin)行了測試(shi)，發(fa)現薄(bo)膜(mo)浸泡在(zai)腐蝕性(xing)液體(ti)中(zhong)一(yi)個月后，其物理化學性(xing)質未發(fa)生(sheng)改(gai)變，且抗菌(jun)性(xing)保持不變。

“為測試薄膜的(de)性(xing)能，我們搭建了(le)一(yi)個藻類暴發(fa)的(de)海(hai)洋(yang)環境，發(fa)現仿生金剛石薄膜降低了(le)95%以上綠藻的(de)粘(zhan)附，而不鍍膜的(de)商用材料上已布滿了(le)藻類。”王(wang)陶(tao)告訴《中國科學報》。

與此(ci)同時，研(yan)究團隊在測試(shi)中發(fa)現，與無鍍膜鈦合金(jin)相(xiang)比，鍍有仿(fang)生金(jin)剛(gang)石薄膜的鈦合金(jin)抑制了99%的大腸桿菌的吸附，因此(ci)，仿(fang)生金(jin)剛(gang)石薄膜在醫療(liao)器件領域(yu)同樣可以應用。

目前，該方(fang)法可實(shi)現仿生(sheng)金剛石(shi)薄膜(mo)在(zai)多種(zhong)復雜(za)形狀襯底(di)和(he)多種(zhong)商用(yong)基體材料上的(de)制備，包(bao)括鈦(tai)合金、硅、石(shi)英玻(bo)璃和(he)陶瓷基體。作為新型抗(kang)菌抗(kang)生(sheng)物粘附材料，其在(zai)高端醫療(liao)器件和(he)海洋精密(mi)儀器領域具有良好的(de)應用(yong)前景。

//doi.org/10.1021/acsami.0c02460