東北大學徐大可、周恩澤AFM：具有優異抗腐蝕性細菌、抗新冠性能的多功能高熵合金
2024-12-16 13:08:46
作者：高分子科學前沿 來源：高分子科學前沿
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近日，東北大學材料科學與工程學院王福會教授團隊徐大可教授課題組和大連理工大學盧一平教授團隊在《Advanced Functional Materials》上發表了題為“A Novel Cu and Ag Bearing High-Entropy Alloy with Remarkable Antibacterial, Antiviral and Anti-microbial Corrosion Performances”的研究論文。論文第一作者為東北大學材料科學與工程學院周恩澤副教授，通訊作者為徐大可教授和盧一平教授。細菌和病毒在金屬材料表面的黏附容易導致食品污染和病毒感染，腐蝕性生物被膜的形成還會加速海工用鋼、輸油管道等合金材料的微生物腐蝕。微生物腐蝕也是當前材料領域亟需解決的難題之一，全球因微生物腐蝕造成的經濟損失約占總腐蝕損失的20%，因此從合金材料角度研發自身具有抗菌抗病毒耐微生物腐蝕能力的新型合金材料就顯得尤為關鍵。到目前為止，人們已成功開發了系列抗菌不銹鋼材料，但對于不銹鋼材料而言，在保持材料的耐腐蝕性和機械性能的同時達到良好的抗菌效果，所能添加的銅最大含量通常不超過5wt%，難以發揮合金成分中各元素的優良特性，使抗菌合金材料的發展受到一定限制。因此，開發多主元的高熵合金被確定為提高合金材料抗菌抗病毒及耐微生物腐蝕能力的有效策略。近年來，抗菌高熵合金用于微生物腐蝕防治領域的研究已逐漸取得關注。已有研究表明，含銅高熵合金可以達到遠優于傳統含銅不銹鋼的抗菌效果，然而，大量富銅相的存在并不利于高熵合金的力學性能和耐腐蝕性能。因此，開發一種兼具力學-抗菌-抗病毒-抗微生物腐蝕的高熵合金對于推進結構功能一體化的新型合金材料應用至關重要。針對這一挑戰，研究團隊開發了一種新型的含銅銀高熵合金，并以只含銀和只含銅的高熵合金為對照，通過系統力學性能測試、抗菌抗病毒試驗、耐腐蝕性能對比分析，旨在闡明銅銀在高熵合金中發揮的協同作用優勢，解決高熵合金優異抗菌抗病毒性能、耐腐蝕性能和力學性能之間的平衡問題。圖5 高熵合金與微生物共培養后ROS產量及對新冠肺炎病毒抗性分析在本研究中，銅銀高熵合金展示了在苛刻海洋腐蝕環境、醫療器械以及公共場所中的廣闊應用前景。銅和銀作為最常用的兩種無機抗菌元素，作者首次將它們引入抗菌高熵合金設計中，顯示出優異的綜合性能。與僅含銅高熵合金相比，其力學性能和耐腐蝕性能都得到顯著改善，銅銀高熵合金的屈服強度達到400 MPa，比銅高熵合金高1.3倍，比304不銹鋼高1.9倍。有菌浸泡7天后，銅銀高熵合金的腐蝕電流密度為0.7 μA cm−2，而銅高熵合金的腐蝕電流密度為1.8 μA cm−2，耐微生物腐蝕性能提高1倍多。與僅含銀高熵合金相比，銅銀高熵合金能夠通過銅離子和銀離子的協同釋放，產生更高濃度的活性氧，殺滅海洋中普遍存在的腐蝕性革蘭氏陰性銅綠假單胞菌（抗菌率達99.9%）和革蘭氏陽性越南芽孢桿菌（抗菌率達99.9%），顯示出其高效廣譜抗菌性能。此外，銅銀高熵還具有顯著的抗病毒特性，與新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）共培養后24小時，銅銀高熵表面可殺死約99%的新冠肺炎病毒，使其不具有傳染性。該合金不僅能夠滿足如食品加工、生活家居和醫療器械等領域用合金材料的抗菌性能和抗病毒性能要求，同時能夠滿足如跨海大橋、深海埋地管道、船艦等國家重大防護工程設備合金材料所需的高強度、抗菌和耐微生物腐蝕性能。東北大學材料科學與工程學院副教授周恩澤與博士研究生楊藝為本論文共同第一作者，周恩澤于2023年3月加入東北大學材料科學與工程學院，主要從事金屬材料的微生物腐蝕機理和耐微生物腐蝕材料研發，目前已在Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Water Res., Corros Sci., J. Mater. Sci. Technol.等發表SCI論文20余篇，3篇入選ESI高被引論文；授權國內發明專利6項；主持中國科協“青年人才托舉工程”項目、國家自然科學基金青年項目、國家重點研發計劃項目子課題、遼寧省自然科學基金聯合基金面上項目、廣東省基礎與應用基礎研究基金面上項目、中國博士后科學基金面上項目等，獲得省部級一等獎2項。東北大學材料科學與工程學院徐大可教授和大連理工大學材料科學與工程學院盧一平教授為本論文共同通訊作者為。徐大可教授主要從事金屬材料微生物腐蝕機理和防治的相關研究及抗菌金屬材料和海洋防污涂層的研發。以第一作者或通訊作者發表高水平論文140余篇，其中4篇入選ESI熱點論文，12篇入選ESI高被引論文，為微生物腐蝕領域全球高被引論文最多的學者，入選2021全球頂尖前10萬科學家榜單、全球前2%頂尖科學家2020-2023榜單、愛思唯爾高被引學者2023榜單。授權PCT國際專利1項，國內專利15項。作為課題負責人主持國家杰出青年科學基金項目，國家自然科學基金聯合重點項目（2項）、973專項服務課題、國家重點研發計劃課題等科技部、基金委、企業項目27項，經費超過4000萬元；擔任Research, J. Mater. Sci. Technol, npj Mater. Degrad.等期刊編輯及特刊主編/副主編和編委。先后獲得中國腐蝕與防護學會科學技術獎一等獎（1/15，1/14）、遼寧省自然科學二等獎（1/5）等多項榮譽稱號。盧一平教授為大連理工大學材料科學與工程學院院長，大連市頂尖級領軍人才（2023）、中組部科技創新萬人領軍人才計劃（2020）、科技部中青年科技領軍人才（2020）、大連市杰出青年基金獲得者（2019）、國家優青（2018）、首屆“興遼英才計劃”遼寧省青年拔尖人才（2018），主要從事高熵合金的成分設計理論以及工業化制備技術研究。站在世界科技前沿，提出了共晶高熵合金設計思想，開辟了共晶高熵合金這一新的研究領域和分支，屬于從0到1的工作。設計制備的AlCoCrFeNi系合金具有優異的力學和耐蝕性能及鑄造性能，產生了重要學術影響和潛在的工業應用價值。近5年以第一作者/通信作者發表SCI論文150余篇，一作/通信作者ESI高被引論文12篇，上述成果被36個國家240個不同的研究機構引用超過1萬余次，單篇論文最高引用1300余次，授權發明專利16項。該研究工作獲得了國家杰出青年科學基金、中國寶武低碳冶金創新基金、中國科學技術協會青年人才托舉工程、國家自然科學基金青年項目和國家重點研發計劃的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202419467
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