自人類(lèi)開(kāi)展海洋活動(dòng)以來(lái)，就在盡一切辦法防止海洋生物污損。海洋污損生物又稱(chēng)為海洋附著生物，是指棲息、附著及生長(zhǎng)在船底、碼頭、浮標(biāo)和各類(lèi)人工設(shè)施上，對(duì)人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生不利影響的動(dòng)物、植物、微生物的總稱(chēng)。其中危害較大的種類(lèi)主要是硬性污損生物，即營(yíng)固著生活、具有石灰質(zhì)外殼或骨架的種類(lèi)，包括雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物、無(wú)柄蔓足類(lèi)和苔蘚蟲(chóng)等；另一類(lèi)則為軟性污損生物，其不具備上述結(jié)構(gòu)，如海藻、水螅等。全世界每年由生物污損造成難以估算的經(jīng)濟(jì)損失，因此，在從事海事活動(dòng)和開(kāi)發(fā)利用海洋資源時(shí)，必須事先對(duì)相應(yīng)水域污損生物群落的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及演替發(fā)展規(guī)律有所了解，以選擇相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)有效的防污措施。為了全面科普常用的污損生物防除方法和技術(shù)，探討下一階段污損生物防除研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向，為做好污損生物防除工作提供參考，記者特邀請(qǐng)到中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所趙文杰研究員做相關(guān)方面精彩解讀。

    趙文杰，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員、海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)秘書(shū)。

趙文杰研究員

    記者： 請(qǐng)您給我們談?wù)勀壳昂Ｑ箢I(lǐng)域內(nèi)裝備材料的生物污損狀況？

    趙研究員：海洋設(shè)施與裝備在海洋環(huán)境服役過(guò)程中，遇到的首要問(wèn)題就是海生物對(duì)船底的附著與污損。海生物污損是指海洋中的微生物、植物性生物、動(dòng)物性生物在人工表面上的積聚現(xiàn)象。各種海洋污損生物，如藤壺、藻類(lèi)、牡蠣、貽貝、石灰蟲(chóng)、滸苔、海鞘、海葵等在船舶外殼、海洋建筑物、養(yǎng)殖網(wǎng)箱等表面上無(wú)選擇性地大面積粘附和沉積。海生物的粘附與污損會(huì)造成以下幾種危害：（1）增加船底粗糙度、引起船舶航行阻力增加、能耗與排放加劇，給船舶航行帶來(lái)了極大危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水線以下船殼污損5%，燃料將增耗10%；污損10%，燃料將增耗20%；污損大于50%，燃料將增耗40% 以上。在海洋環(huán)境中，新船在下水后的6 個(gè)月，由于生物污損而造成航行體的阻力增加達(dá)到10% 以上。（2）加速海洋設(shè)施、建筑等結(jié)構(gòu)件污損腐蝕，顯著縮短它們的壽命。污損生物會(huì)導(dǎo)致其附著區(qū)域內(nèi)的pH 值、溶氧濃度及其他溶解質(zhì)濃度在空間上分布不均勻， 從而改變金屬材料腐蝕的速率或進(jìn)程。污損生物也會(huì)加快電化學(xué)腐蝕的過(guò)程和速度。根據(jù)美國(guó)報(bào)道由于微生物污損所引起的厭氧腐蝕，美國(guó)每年造成50-60 億美元的金屬損失；（3）導(dǎo)致養(yǎng)殖網(wǎng)箱、定置捕撈的網(wǎng)衣等網(wǎng)孔、管道堵塞。目前，國(guó)內(nèi)網(wǎng)箱的生物污損處理主要采用人工定期更換網(wǎng)衣的方法。這種方法需要耗費(fèi)大量的人力物力，工作效率低，操作頻繁，同時(shí)不可避免的造成網(wǎng)箱的破壞和養(yǎng)殖貝類(lèi)的損傷。（4）損壞海洋儀器，導(dǎo)致儀器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈、信號(hào)失真、性能降低，甚至安全隱患，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

    圖1.常見(jiàn)的海洋生物污損現(xiàn)象

    記者：請(qǐng)您談?wù)劮乐魏Ｑ笊镂蹞p的關(guān)鍵是什么？

    趙研究員：人類(lèi)從開(kāi)始航海活動(dòng)就努力研究防污對(duì)策。探究污損生物的附著過(guò)程和增殖機(jī)理，是尋找適宜的抗污損材料和防污手段的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

    傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，生物污損的發(fā)生過(guò)程是連續(xù)的、漸進(jìn)的，由有機(jī)膜、微生物污損到宏觀生物污損是有先后次序性的。材料浸入海水中后，由于受到一系列物理、化學(xué)和生物因素的作用，其表面很快會(huì)覆蓋一層聚合物材料形成的薄膜，通常稱(chēng)為調(diào)節(jié)膜。調(diào)節(jié)膜的主要成分是蛋白質(zhì)大分子，它會(huì)使物體表面電學(xué)特性和溶質(zhì)濃度等發(fā)生改變，成為浮游生物附著、繁殖、形成微生物膜的基礎(chǔ)。隨著調(diào)節(jié)膜的形成，細(xì)菌、單細(xì)胞真核生物和多細(xì)胞真核生物依次在海洋結(jié)構(gòu)物表面附著，形成一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。黏附在材料表面的細(xì)菌大量分泌細(xì)胞外產(chǎn)物，將細(xì)菌與細(xì)菌、細(xì)菌與附著底物相互連接形成一層由細(xì)菌和硅藻為主的生物膜。大型海洋生物的幼蟲(chóng)和孢子一旦接近帶有生物膜的表面后便會(huì)發(fā)生如下過(guò)程： 表面接觸→表面滑動(dòng)→找尋適當(dāng)位置→分泌黏液增強(qiáng)附著→一系列變態(tài)生長(zhǎng)→生長(zhǎng)繁殖擴(kuò)大，最終形成規(guī)模較大的污損生物群落。海洋污損生物附著時(shí)首先分泌一種黏液，這種黏液對(duì)物體表面潤(rùn)濕，在附著基體上充分?jǐn)U散，并通過(guò)以下4 種機(jī)理之一或幾種協(xié)同進(jìn)行黏附：①化學(xué)鍵合：黏附物及附著基體之間以分散力、偶極鍵、離子鍵、共價(jià)鍵或其他形式的化學(xué)鍵相互作用；②靜電作用：除了化學(xué)作用， 偶極子或離子之間還存在靜電作用；③機(jī)械聯(lián)鎖：污損生物分泌的黏液滲透到基體表面的縫隙中，形成一種機(jī)械鎖匙聯(lián)鎖；④擴(kuò)散作用：黏附物可能誘發(fā)附著基體表面的分子運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生瞬時(shí)孔隙，促使黏液滲透。

    但是，生物污損是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的過(guò)程：某種生物是否能夠在材料表面附著生長(zhǎng)，并進(jìn)而在污損生物構(gòu)成的生態(tài)群落中長(zhǎng)期生存，與基材的表面性質(zhì)、環(huán)境的溫度（如季節(jié)）、鹽度、所處的地理位置、以及競(jìng)爭(zhēng)物種是否存在和捕食難易程度等因素都有關(guān)系。所以，有研究認(rèn)為生物污損的過(guò)程并非是簡(jiǎn)單的線性、漸進(jìn)的上述關(guān)系，而是相互間先后次序性不明顯的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

    海洋污損生物的附著和增殖機(jī)理是研究其防除方法的重要基礎(chǔ)，盡管當(dāng)前防除方法多種多樣，但究其本質(zhì)都是根據(jù)污損生物的附著和增殖機(jī)理對(duì)其附著或生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行干擾或破壞，最大程度地減少污損生物的附著或使其不能生長(zhǎng)繁殖。

    圖2.生物污損的附著與增殖過(guò)程

    記者：請(qǐng)您談?wù)劮乐魏Ｑ笊镂蹞p的發(fā)展歷史？

    趙研究員：早在公元前700 年，腓尼基人和迦太基人就開(kāi)始使用瀝青、鉛皮蠟、柏油等包覆木質(zhì)船底，并取得一定的防污效果。公元前200 年希臘人和羅馬人使用鉛皮和銅釘?shù)冉饘賹?duì)船底進(jìn)行保護(hù)。

    隨著鐵船的生產(chǎn)和發(fā)展，哥倫布船隊(duì)用瀝青、牛脂等進(jìn)行船舶防污，英國(guó)皇家預(yù)警隊(duì)等許多西方國(guó)家的遠(yuǎn)洋船舶采用銅皮包覆鐵船的方法防污，但銅皮的包覆需要非常仔細(xì)地用木塊在鐵船和銅皮之間隔絕。但銅皮腐蝕嚴(yán)重，抗海水磨蝕性能有限，需要定期更換部分銅皮，且對(duì)船速有較大的限制，因此這一技術(shù)最終被淘汰。

    第二次世界大戰(zhàn)之后，防污涂料工業(yè)發(fā)生了重要的變化。隨著汞、砷等重度毒殺劑的禁用，出現(xiàn)了最著名的，長(zhǎng)期占領(lǐng)涂料市場(chǎng)的有機(jī)錫防污涂料。該涂料在乙烯基等樹(shù)脂中添加有毒物質(zhì)有機(jī)錫，以有機(jī)錫化合物為毒料配置的防污涂料具有更廣譜的殺菌性，并且具有很長(zhǎng)的防污期效。此類(lèi)防污涂料主要是依靠毒料以一定的方式逐漸滲出，向海水中擴(kuò)散，維持漆膜接觸的水層中具有足夠濃度的毒料，以達(dá)到防止海洋污損生物附著的目的。此后，全世界的科學(xué)家致力于此種涂料的發(fā)展，此種防污涂料主要分為的三大類(lèi)，包括不溶性基質(zhì)防污涂料、可溶性基質(zhì)涂料和自拋光涂料。對(duì)于不溶性基質(zhì)防污涂料，基質(zhì)是不溶性樹(shù)脂（如乙烯基、氯化橡膠），基質(zhì)承載的殺菌劑依靠擴(kuò)散釋放。可溶性基質(zhì)涂料中松香類(lèi)樹(shù)脂作為可溶于海水的粘合劑，涂料表現(xiàn)出表面侵蝕，但殺菌劑釋放速率開(kāi)始時(shí)太高并且沒(méi)法控制，導(dǎo)致最后涂料失效。自拋光涂料的特點(diǎn)是有防污作用的含有機(jī)金屬（如Sn、Zn、Cu 等）的基團(tuán)與基料樹(shù)脂形成共價(jià)鍵，其共價(jià)鍵在海水中可被鈉、鉀等金屬離子水解形成親水性基團(tuán)，主體樹(shù)脂在海水中能夠緩慢水解，溶于或分散于海水中，釋放出殺菌劑并不斷露出新的表層，毒殺污損生物并使海生物沒(méi)有固定繁殖的條件。有機(jī)錫自拋光防污涂料在改善防污涂料的性能上前進(jìn)了一大步。通過(guò)三丁基錫自拋光共聚物涂料控制有機(jī)錫釋放速率，防污性能得到了進(jìn)一步的提高。隨著對(duì)有機(jī)錫毒性的研究深入，有機(jī)錫涂料對(duì)環(huán)境的危害也逐漸被人熟知。不論在體內(nèi)還是體外，有機(jī)錫都被證明對(duì)各種海洋生物造成極大毒害。有機(jī)錫會(huì)在魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)等體內(nèi)積累，并且很有可能進(jìn)入食物鏈，從而影響海洋生態(tài)。國(guó)際海事機(jī)構(gòu)（IMO）總會(huì)已于2008 年全面禁止在防污涂料中使用有機(jī)錫。因此，科學(xué)家們也在一直尋找可代替有機(jī)錫的殺菌劑。

    目前，防污涂料中占主導(dǎo)地位的是含有氧化亞銅類(lèi)防污劑的防污涂料，氧化亞銅對(duì)海洋軟體動(dòng)物和藻類(lèi)均有很好的防污效果，其防污機(jī)理是銅離子與生物體中主酶的主要活性成分有很高的親和性，降低了主酶的生物活化作用，使生物體的細(xì)胞蛋白質(zhì)變成銅蛋白質(zhì)沉淀物，從而抑制了污損生物的生長(zhǎng)。雖然銅元素的毒性相對(duì)于有機(jī)錫較低，但銅元素仍會(huì)導(dǎo)致海藻等生物死亡，破壞生態(tài)環(huán)境，國(guó)際協(xié)定也已限制防污涂料中銅元素的使用量。近日，歐盟委員會(huì)已經(jīng)批準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施條例（EU 2016/1089、2016/1090、2016/1088、2016/1094），分別將氧化亞銅、硫氰酸銅、銅粉和金屬銅列入殺生物產(chǎn)品允許使用的活性物質(zhì)目錄，其中前3 種物質(zhì)歸入產(chǎn)品類(lèi)型21，可作為防污劑產(chǎn)品活性物質(zhì)使用，而金屬銅歸入產(chǎn)品類(lèi)型8，可在符合相關(guān)要求的前提下使用于殺生物劑產(chǎn)品。前3 項(xiàng)條例將于2018 年1 月1 日起正式實(shí)施，最后一項(xiàng)于2017 年1 月1 日起正式實(shí)施。雖然認(rèn)可了這些產(chǎn)品的使用，但歐盟在相關(guān)條例中也強(qiáng)調(diào)了對(duì)其使用應(yīng)嚴(yán)格管理，并且在授權(quán)非專(zhuān)業(yè)用戶、個(gè)人在產(chǎn)品中使用這些物質(zhì)時(shí)，應(yīng)提供合適的防護(hù)手套。同時(shí)還提出，應(yīng)注意對(duì)表面水和土壤的影響，以及相關(guān)標(biāo)簽的要求。

    記者：請(qǐng)您談?wù)劮乐魏Ｑ笊镂蹞p的主要防除方法和技術(shù)？

    趙研究員：針對(duì)海洋污損生物群落的形成過(guò)程及附著機(jī)理， 人們采取了各種各樣的防除方法。根據(jù)其原理的不同可大致分為物理防污法、化學(xué)防污法和生物防污法三大類(lèi)。

    物理防污法是指物理清除或通過(guò)物理方法減少或阻止污損生物的附著， 從而達(dá)到防污的目的。大部分傳統(tǒng)防污方法都屬于物理防污法，如機(jī)械清除法、空穴化水噴射流除污法、可剝落涂層防污法、低表面能涂料防污法、超聲波防污法、紫外線防污法。物理防除法的主要缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力、防護(hù)周期短、后期需經(jīng)常維護(hù)。

    化學(xué)防污法是指利用特定的化學(xué)物質(zhì)對(duì)污損生物進(jìn)行滅活或毒殺， 干擾其附著過(guò)程或降低附著強(qiáng)度。化學(xué)防污法主要可分為直接加入法、防污橡膠、化學(xué)防污涂料法和電解防污法。化學(xué)防污法是目前最為成熟的防污方法， 在各類(lèi)船舶設(shè)備上都得到了廣泛的應(yīng)用， 起到了較為顯著的防污作用。化學(xué)防污法的主要缺點(diǎn)是其采用的有毒物質(zhì)會(huì)污染海洋環(huán)境， 使海洋生物產(chǎn)生畸變， 對(duì)人類(lèi)本身也有較大的危害。

    生物防污法的作用機(jī)理十分復(fù)雜，有抑制附著、抑制變態(tài)、干擾神經(jīng)傳導(dǎo)和驅(qū)避作用等。生物防污法主要包括生物防污劑涂料、仿生涂料。生物防污方法是新興的防污方法， 其防污周期較長(zhǎng)， 效果明顯， 無(wú)毒無(wú)公害， 相對(duì)于采用毒性物質(zhì)防除污損的化學(xué)防污法來(lái)說(shuō)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者在從事生物防污法的研究工作，但是其基礎(chǔ)仍然相對(duì)薄弱，尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段， 與實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，還需進(jìn)行大量的研究和實(shí)踐檢驗(yàn)方能用于實(shí)際應(yīng)用。

    圖3.荷葉、蟹殼正負(fù)形貌仿生微結(jié)構(gòu)

    圖4.污損生物在具有不同“邊界”微結(jié)構(gòu)仿生涂層表面的附著情況

    記者：您主要從事涂料改性及材料表界面形貌控制在防海洋生物污損領(lǐng)域的應(yīng)用。請(qǐng)給我們分享您印象深刻的典型案例？

    趙研究員：從事海洋生物污損專(zhuān)業(yè)，面臨的困難和障礙很多，包括藻類(lèi)生物的培養(yǎng)、微結(jié)構(gòu)的完美復(fù)制以及后續(xù)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)海掛板檢測(cè)等，對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的深度和廣度都有很高的要求，同時(shí)要求必須耐心和細(xì)心，才能把工作做漂亮。有一件事給我印象很深，學(xué)生在制備微結(jié)構(gòu)時(shí)經(jīng)常遇到這樣一個(gè)問(wèn)題：涂層材料與生物模板之間在分離時(shí)就像齒輪之間存在相互嚙合一樣，會(huì)發(fā)生藕斷絲連，甚至涂層和生物模板微結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，尤其是微結(jié)構(gòu)尺度越小，這個(gè)問(wèn)題就越突出。這個(gè)問(wèn)題困擾了我們很久，學(xué)生也一度很沮喪，一直難以完美的復(fù)制微機(jī)構(gòu)，而這個(gè)問(wèn)題是我們后續(xù)一切工作的基礎(chǔ)，這一步做不好，后續(xù)工作無(wú)法開(kāi)展。我們思考著如何解決，也做了多次的工藝調(diào)整和嘗試，但是沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)解決。在一次偶然的實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)交流時(shí)，我們找到了答案。我們借鑒PVD 技術(shù)制備硬質(zhì)涂層時(shí)采用過(guò)渡層的思路，來(lái)解決涂層材料與基底之間的結(jié)合力。最終采用高彈性材料作為中間過(guò)渡模板，從而很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。 當(dāng)找到這個(gè)問(wèn)題的解決方法后，我和學(xué)生都興奮不已，我們對(duì)后續(xù)工作充滿了信心。這件事給我們的最大啟示就是工作中遇到困難時(shí)，要相信自己、勤于思考，借鑒其他專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的思路和方法，從多個(gè)角度來(lái)尋求解決辦法，最終一定能夠解決問(wèn)題。

    圖5. 污損生物在規(guī)則織構(gòu)化涂層表面的附著狀態(tài)

    圖6.污損生物在不同微結(jié)構(gòu)砂紙形貌的附著情況及機(jī)制

    記者：您的團(tuán)隊(duì)在涂料改性及材料表界面形貌控制方面取得了哪些成果和進(jìn)展？這些成果和進(jìn)展的應(yīng)用狀況如何？

    趙研究員：自然界很多動(dòng)物和植物（如海豚、荷葉等）因其表面具有特殊的微/ 納形貌從而具有很好的防污效果。在涂層表面構(gòu)筑特殊微結(jié)構(gòu)可有效提高涂層的防污性能。隨著環(huán)境要求越來(lái)越高，織構(gòu)化涂層成為海洋防污學(xué)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在國(guó)家973 項(xiàng)目的大力支持下，我們的研究工作正是以此為切入點(diǎn)，選用低表面能有機(jī)硅改性丙烯酸酯作為防污涂層材料，在涂層表面構(gòu)筑仿生織構(gòu)和規(guī)則織構(gòu)，以期研制出具有優(yōu)異防污性能的仿生織構(gòu)化涂層，并探究織構(gòu)化涂層的防污原因和防污機(jī)理。

    （1）為了驗(yàn)證仿生微結(jié)構(gòu)是否具有一定的防污效果，制備了仿荷葉和仿蟹殼織構(gòu)化涂層，觀察了織構(gòu)化涂層的表面形貌，考察了涂層表面的潤(rùn)濕性，并研究了涂層的防污性能。研究結(jié)果表明：仿荷葉正形貌織構(gòu)化涂層和仿荷葉負(fù)形貌織構(gòu)化涂層上分別存在不規(guī)則排列的乳突和凹坑；仿正/ 負(fù)荷葉形貌織構(gòu)化涂層對(duì)新月藻有很好的防污效果，附著量降低率分別可達(dá)74% 和73%；仿正/ 負(fù)荷葉形貌織構(gòu)化涂層對(duì)舟形藻也有很好的防污效果，附著量降低率分別可達(dá)54% 和74%。仿蟹殼正形貌織構(gòu)化涂層和仿蟹殼負(fù)形貌織構(gòu)化涂層上分別存在呈密排六方排列的倒刺凸起和凹坑，仿正/ 負(fù)蟹殼形貌織構(gòu)化涂層對(duì)新月藻有很好的防污效果，附著量降低率分別可達(dá)68% 和65%；仿正/ 負(fù)蟹殼形貌織構(gòu)化涂層對(duì)舟形藻也有很好的防污效果，附著量降低率分別可達(dá)69%和70%。之所以仿生織構(gòu)化涂層具有如此特殊的性能，與涂層上乳突、倒刺等凸起以及凹坑等微觀結(jié)構(gòu)分不開(kāi)，并且這些特殊的仿生織構(gòu)之間區(qū)域也對(duì)涂層的防污性能具有一定影響。

    （2）在表面存在仿生微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，如果能夠?qū)⑦@些微結(jié)構(gòu)周期性分隔開(kāi)來(lái)，通過(guò)“圍墻”形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“王國(guó)”是否會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)涂層的防污效果。選擇并制備了仿芋頭葉、玫瑰花瓣和鯊魚(yú)皮織構(gòu)化涂層，并考察了涂層的防污性能。結(jié)果表明：仿鯊魚(yú)皮織構(gòu)化涂層表面覆蓋了無(wú)數(shù)微小的鱗片，排列緊湊有序。對(duì)菱形藻、三角藻和小球藻均有較好的防污效果。我們把鯊魚(yú)皮的這種防污機(jī)理稱(chēng)為“層疊結(jié)構(gòu)效應(yīng)”。仿芋頭葉織構(gòu)化涂層表面存在許多微乳突，周?chē)蓄?lèi)似于“柵欄”狀的凸起邊界。仿玫瑰花瓣織構(gòu)化涂層表面也存在緊密排列的微乳突，乳突之間會(huì)形成凹陷的“柵欄”，同時(shí)每個(gè)乳突的頂端存在納米“褶皺”。但是對(duì)這兩種涂層來(lái)說(shuō)其防污性能反而比空白無(wú)織構(gòu)的涂層差。海藻傾向于附著在乳突的邊界區(qū)域，海藻與涂層的接觸面積大，同時(shí)乳突對(duì)海藻具有一定保護(hù)作用，因此這種結(jié)構(gòu)非常有利于海藻的附著，稱(chēng)之為“邊界效應(yīng)”。

    （3）為了獲得普適性經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，利用模板法制備了不同直徑和間距的凸柱、凹坑和溝槽狀規(guī)則織構(gòu)化涂層，系統(tǒng)考察了涂層的防污性能。結(jié)果表明：對(duì)于凸柱狀織構(gòu)化涂層，當(dāng)凸柱的直徑和間距小于海藻尺寸時(shí)，海藻在涂層表面會(huì)形成“架橋”的附著方式，這樣會(huì)大大降低海藻與涂層之間的接觸面積和附著強(qiáng)度，從而可有效降低海藻附著量，并且凸柱排列越緊密防污效果越好。當(dāng)凸柱的直徑和間距與海藻尺寸相接近時(shí)，海藻會(huì)“鑲嵌”在凸柱之間，這樣會(huì)增加海藻與涂層的接觸面積，同時(shí)具有一定高度的凸柱還會(huì)對(duì)海藻起到一定的保護(hù)作用，因此會(huì)增加海藻的附著量。當(dāng)凸柱的直徑和間距大于海藻尺寸時(shí)，菱形藻和三角藻的數(shù)量有所降低，小球藻的數(shù)量有所增加。對(duì)于凹坑狀織構(gòu)化涂層，當(dāng)凹坑的直徑小于海藻尺寸時(shí)，涂層具有較好的防污效果，且凹坑越密集、直徑越大防污效果越好。這種情況下，海藻不可避免地會(huì)“橫跨”過(guò)凹坑上面，從而使得海藻的部分身子是“懸空”的，即海藻與涂層之間會(huì)形成“氣墊”，大大降低了海藻與涂層的接觸面積，使海藻附著不牢。當(dāng)凹坑的直徑大于海藻尺寸時(shí)，海藻附著在凹坑內(nèi)，增大了接觸面積和附著強(qiáng)度，同時(shí)凹坑還會(huì)對(duì)海藻起到一定的保護(hù)作用，所以海藻的附著量會(huì)增加。

    （4）織構(gòu)化涂層的大面積制備一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也是行業(yè)最關(guān)注的問(wèn)題。我們選用常見(jiàn)易得的砂紙作為模板材料，制備了仿800 目、1200 目、5000 目和7000 目砂紙正、負(fù)形貌涂層。系統(tǒng)研究了仿砂紙織構(gòu)化涂層的表面物理化學(xué)性能和防污性能。結(jié)果表明：仿不同型號(hào)砂紙織構(gòu)化涂層表面呈現(xiàn)出不同直徑大小和間距的微顆粒，且隨著砂紙型號(hào)的增加，砂紙表面的微顆粒直徑大小和間距會(huì)越來(lái)越小。仿5000 目砂紙織構(gòu)化涂層對(duì)菱形藻、三角藻和小球藻均具有較好的防污性能。海藻與涂層之間形成一種“架橋”的附著方式，這樣大大降低了海藻與涂層之間的接觸面積和附著強(qiáng)度；另一方面，仿5000 目砂紙織構(gòu)化涂層近乎于超疏水的性質(zhì)也會(huì)在一定程度上降低海藻的附著量。仿7000 目砂紙織構(gòu)化涂層對(duì)菱形藻和三角藻有較好的防污效果，但是對(duì)小球藻的防污效果較差。仿800 目和1200 目砂紙正、負(fù)形貌織構(gòu)化涂層表面顆粒之間的間距或者“凹坑”的直徑均比海藻的尺寸大，海藻附著在顆粒間隙中的平坦區(qū)域和“凹坑”內(nèi)，這種情況下，使得海藻附著量增加。

    以上研究工作只是一個(gè)良好的開(kāi)始，未來(lái)還有大量系統(tǒng)性、深入性的工作需要開(kāi)展。我們相信，只有一步一步把基礎(chǔ)打牢，深度揭示海洋生物與織構(gòu)化涂層之間的作用機(jī)制，才能最終實(shí)現(xiàn)研究成果的實(shí)際應(yīng)用和轉(zhuǎn)化。我們正在一步一步靠近這個(gè)目標(biāo)。

    后記：

    海洋生物種類(lèi)繁多，不同地區(qū)海洋環(huán)境各異，海洋生物污損是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到生物和物理、化學(xué)等多種交叉學(xué)科知識(shí)。多種行為協(xié)同作用，因而利用微結(jié)構(gòu)仿生防污技術(shù)將來(lái)必然朝著涂層材料組分調(diào)控、多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制精細(xì)化檢測(cè)等方向發(fā)展。未來(lái)的環(huán)保型防污材料表面設(shè)計(jì)必須兼顧組分調(diào)控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要充分發(fā)揮多元復(fù)合、納米技術(shù)和仿生技術(shù)的協(xié)同防污優(yōu)勢(shì)。其中環(huán)保型的水凝膠、導(dǎo)電性聚合物、樹(shù)枝狀大分子材料等大有可為。深度探明海洋污損生物與織構(gòu)化涂層之間的表界面化學(xué)、物理、生物甚至電子作用機(jī)制必然是防污技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要方向。

    隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的大力實(shí)施和推進(jìn)，我們相信微結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)領(lǐng)域廣闊空間大有可為！

    人物簡(jiǎn)介

    趙文杰，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員、海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)秘書(shū)。目前已在ACS Applied Materials&Interface，JPCC，RSC Advances，Colloids and Surfaces A，Surfaceand Coatings Technongy，Tribology International，摩擦學(xué)學(xué)報(bào)、中國(guó)表面工程等國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表科研論文70余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利29項(xiàng)，其中10項(xiàng)已授權(quán)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、中科院A類(lèi)先導(dǎo)項(xiàng)目子課題、浙江省重大研發(fā)計(jì)劃、浙江省公益計(jì)劃項(xiàng)目、寧波市重大科技專(zhuān)項(xiàng)、寧波市自然科學(xué)基金和多項(xiàng)企業(yè)橫向項(xiàng)目。同時(shí)，作為骨干成員參與了國(guó)家973項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目和浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目。是Langmuir, ACS Applied Materials& Interface, RSC Advance, Industrial & Engineering Chemistry Research, Journal of Composite Materials, Colloids andSurfaces A, Progress in Organic Coatings, Surface and Interface Analysis, Tribology International, Tribology Transactions,摩擦學(xué)學(xué)報(bào)、中國(guó)表面工程、中國(guó)材料進(jìn)展等多個(gè)雜志的審稿人。