將無鍍膜石英玻璃和仿生金剛石薄膜浸泡于生長綠藻的海水環(huán)境中，14天前后的照片和熒光顯微鏡圖像對比。

荷葉為何出淤泥而不染？因為荷葉的表面結(jié)構(gòu)具有超疏水、防粘附的特點(diǎn)。借鑒這一現(xiàn)象，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員唐永炳、趙穎團(tuán)隊，研發(fā)出一種兼具自清潔、抗菌、抗生物粘附、抗磨損以及抗腐蝕特性的新型仿生金剛石功能膜，相關(guān)成果近期發(fā)表于《ACS應(yīng)用材料與界面》。

“在海水中，微生物在海洋儀器上粘附和聚集，會導(dǎo)致儀器污損、功能退化，影響海洋工業(yè)的發(fā)展，甚至產(chǎn)生數(shù)以億元計的經(jīng)濟(jì)損失。而在醫(yī)療器件上的細(xì)菌附著，會產(chǎn)生感染，影響人體健康。”團(tuán)隊成員王陶表示，該成果能夠為醫(yī)療防護(hù)和海洋儀器防污領(lǐng)域提供解決方案。

低成本的新型制備方式

水珠滴在荷葉表面，很快就滾落下來，這究竟是什么原理？原來，荷葉表面具有微納結(jié)構(gòu)，帶有小刺，因此它的接觸角很大，臟污和水珠都不容易附著。研究團(tuán)隊將這一概念運(yùn)用到了研究中。

與金剛石薄膜傳統(tǒng)制備方法不同，團(tuán)隊自主研發(fā)了一種“分步植晶氣相沉積法”，選取金剛石納米粉作為鍍膜材料，在前處理過程中獨(dú)創(chuàng)性地采用“兩次植晶”，成功構(gòu)造出均勻、可控，且具有植物葉片仿生結(jié)構(gòu)的超疏水微納分級金剛石功能膜。

“由于傳統(tǒng)的金剛石納米粉快速團(tuán)聚，難以控制吸附密度和均勻性，制備的金剛石微納結(jié)構(gòu)疏密程度不均勻、難以控制，導(dǎo)致無法調(diào)控出各種性能，金剛石的超疏水、抗菌等功效就不能很好地發(fā)揮出來了。”王陶說道。

“所謂兩次植晶就像‘種種子’一樣，”王陶比喻道，“第一次植晶，先將金剛石納米粉處理成與材料表面具有相同電性，根據(jù)同電相斥的原理，會長出一層疏散且均勻的薄膜；在第二次植晶時，將金剛石納米粉處理成與材料表面具有不同電性，根據(jù)異電相吸的原理，金剛石納米粉可以很好地填滿材料表面，從而長出一層均勻致密且?guī)в形⒓{結(jié)構(gòu)的薄膜。”

據(jù)她介紹，“兩次植晶”無需使用常規(guī)制備方法所用到的昂貴儀器就能制備具有微納結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜，制備成本要低很多。

醫(yī)療、海洋防護(hù)領(lǐng)域的新星

在海洋作業(yè)的船只通常使用涂料來保護(hù)船體不受海洋微生物的附著和腐蝕。然而，對于一些海洋精密儀器的防護(hù)，目前還未有很好的方法。

釋放重金屬離子的生物殺滅材料會影響海洋生態(tài)，聚合物等抗粘附材料又存在機(jī)械性能差、化學(xué)穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，影響其抗生物粘附的持久性。因此，發(fā)展環(huán)保長效的抗粘附、抗腐蝕等的特質(zhì)材料尤為重要。

研究團(tuán)隊通過模擬復(fù)雜的海洋環(huán)境，對研發(fā)的新型仿生金剛石薄膜進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)薄膜浸泡在腐蝕性液體中一個月后，其物理化學(xué)性質(zhì)未發(fā)生改變，且抗菌性保持不變。

“為測試薄膜的性能，我們搭建了一個藻類暴發(fā)的海洋環(huán)境，發(fā)現(xiàn)仿生金剛石薄膜降低了95%以上綠藻的粘附，而不鍍膜的商用材料上已布滿了藻類。”王陶告訴《中國科學(xué)報》。

與此同時，研究團(tuán)隊在測試中發(fā)現(xiàn)，與無鍍膜鈦合金相比，鍍有仿生金剛石薄膜的鈦合金抑制了99%的大腸桿菌的吸附，因此，仿生金剛石薄膜在醫(yī)療器件領(lǐng)域同樣可以應(yīng)用。

目前，該方法可實現(xiàn)仿生金剛石薄膜在多種復(fù)雜形狀襯底和多種商用基體材料上的制備，包括鈦合金、硅、石英玻璃和陶瓷基體。作為新型抗菌抗生物粘附材料，其在高端醫(yī)療器件和海洋精密儀器領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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