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郑州华晶金刚石股份有限公司

新型仿生金刚石薄膜为精密仪器披上“铠甲”

关键词 金刚石薄膜|2020-06-02 09:39:44|来源 中国科学报
摘要 将无镀膜石英玻璃和仿生金刚石薄膜浸泡于生长绿藻的海水环境中,14天前后的照片和荧光显微镜图像对比。荷叶为何出淤泥而不染?因为荷叶的表面结构具有超疏水、防粘附的特点。借鉴这一现象,中...

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将无镀膜石英玻璃和仿生金刚石薄膜浸泡于生长绿藻的海水环境中,14天前后的照片和荧光显微镜图像对比。

  荷叶为何出淤泥而不染?因为荷叶的表面结构具有超疏水、防粘附的特点。借鉴这一现象,中科院深圳先进技术研究院研究员唐永炳、赵颖团队,研发出一种兼具自清洁、抗菌、抗生物粘附、抗磨损以及抗腐蚀特性的新型仿生金刚石功能膜,相关成果近期发表于《ACS应用材料与界面》。

  “在海水中,微生物在海洋仪器上粘附和聚集,会导致仪器污损、功能退化,影响海洋工业的发展,甚至产生数以亿元计的经济损失。而在医疗器件上的细菌附着,会产生感染,影响人体健康。”团队成员王陶表示,该成果能够为医疗防护和海洋仪器防污领域提供解决方案。

  低成本的新型制备方式

  水珠滴在荷叶表面,很快就滚落下来,这究竟是什么原理?原来,荷叶表面具有微纳结构,带有小刺,因此它的接触角很大,脏污和水珠都不容易附着。研究团队将这一概念运用到了研究中。

  与金刚石薄膜传统制备方法不同,团队自主研发了一种“分步植晶气相沉积法”,选取金刚石纳米粉作为镀膜材料,在前处理过程中独创性地采用“两次植晶”,成功构造出均匀、可控,且具有植物叶片仿生结构的超疏水微纳分级金刚石功能膜。

  “由于传统的金刚石纳米粉快速团聚,难以控制吸附密度和均匀性,制备的金刚石微纳结构疏密程度不均匀、难以控制,导致无法调控出各种性能,金刚石的超疏水、抗菌等功效就不能很好地发挥出来了。”王陶说道。

  “所谓两次植晶就像‘种种子’一样,”王陶比喻道,“第一次植晶,先将金刚石纳米粉处理成与材料表面具有相同电性,根据同电相斥的原理,会长出一层疏散且均匀的薄膜;在第二次植晶时,将金刚石纳米粉处理成与材料表面具有不同电性,根据异电相吸的原理,金刚石纳米粉可以很好地填满材料表面,从而长出一层均匀致密且带有微纳结构的薄膜。”

  据她介绍,“两次植晶”无需使用常规制备方法所用到的昂贵仪器就能制备具有微纳结构的金刚石薄膜,制备成本要低很多。

  医疗、海洋防护领域的新星

  在海洋作业的船只通常使用涂料来保护船体不受海洋微生物的附着和腐蚀。然而,对于一些海洋精密仪器的防护,目前还未有很好的方法。

  释放重金属离子的生物杀灭材料会影响海洋生态,聚合物等抗粘附材料又存在机械性能差、化学稳定性低等缺点,影响其抗生物粘附的持久性。因此,发展环保长效的抗粘附、抗腐蚀等的特质材料尤为重要。

  研究团队通过模拟复杂的海洋环境,对研发的新型仿生金刚石薄膜进行了测试,发现薄膜浸泡在腐蚀性液体中一个月后,其物理化学性质未发生改变,且抗菌性保持不变。

  “为测试薄膜的性能,我们搭建了一个藻类暴发的海洋环境,发现仿生金刚石薄膜降低了95%以上绿藻的粘附,而不镀膜的商用材料上已布满了藻类。”王陶告诉《中国科学报》。

  与此同时,研究团队在测试中发现,与无镀膜钛合金相比,镀有仿生金刚石薄膜的钛合金抑制了99%的大肠杆菌的吸附,因此,仿生金刚石薄膜在医疗器件领域同样可以应用。

  目前,该方法可实现仿生金刚石薄膜在多种复杂形状衬底和多种商用基体材料上的制备,包括钛合金、硅、石英玻璃和陶瓷基体。作为新型抗菌抗生物粘附材料,其在高端医疗器件和海洋精密仪器领域具有良好的应用前景。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acsami.0c02460

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