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【材料】不銹鋼鈍化層的新用途：自消毒抗菌表面

2022-03-22 14:22:08 作者：X-MOL資訊來源：X-MOL資訊分享至：

不銹鋼被廣泛應(yīng)用于公共場所中的各類接觸表面，例如門把手以及電梯中的扶手和按鈕。如能將不銹鋼表面帶上自消毒功能，可有助于減少傳染病通過間接接觸的方式傳播。

最近，原美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系（現(xiàn)西湖大學(xué)工學(xué)院）黃嘉興教授領(lǐng)導(dǎo)的合作研究報道了一種快捷的液相處理方法來給不銹鋼物件穿上一件自消毒“外衣”。將不銹鋼物件浸泡在溫?zé)岬母咤i酸鉀和硫酸銅溶液中，通過表面轉(zhuǎn)化反應(yīng)，可在各種形狀的物件表面形成均勻而共形的羥基氧化物層。多種表征觀察顯示該表面層無定形、連續(xù)且致密，厚度僅為10到15 納米。從化學(xué)組成上看，該表面層（例如銅、錳）與不銹鋼（例如鐵）之間所含元素呈現(xiàn)梯度分布，相互融合，所以不存在明顯的界面，這意味著該層生長過程中不易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，也應(yīng)具有優(yōu)異的粘附力和持久性。研究人員使用硬橡膠球在處理過的不銹鋼表面進(jìn)行了刮擦實驗，在超過2000次的反復(fù)刮擦后，硬橡膠已嚴(yán)重磨損，然而不銹鋼表面層并沒有受到明顯損傷。這說明通過本文報道的方法產(chǎn)生的表面層應(yīng)該足以耐受日常接觸。此外，表層中的銅離子可以被緩慢釋放到水中（例如通過毛細(xì)凝聚在含病原體顆粒周圍的凝結(jié)水），增強(qiáng)了不銹鋼表面的抗菌性。

圖1. 通過表面轉(zhuǎn)化反應(yīng)給不銹鋼穿上一層致密的羥基氧化物“消毒衣”。（a）將不銹鋼棒浸入 CuSO4 和 KMnO4 的混合溶液中，（b）在 85 °C 下加熱 1 小時。（c）在水和乙醇中清洗后，處理過的不銹鋼表面呈金棕色。相同的步驟可用于其他形狀的物體，例如（d）立方體和（e）網(wǎng)格。（f）光學(xué)顯微鏡圖像和（g）原子力顯微鏡圖像均顯示該層均勻、致密、連續(xù)且共形。（h）該層厚度為 10 至 15 nm 之間。（c）-（e）中的比例尺為 1 厘米。

圖2. 表面羥基氧化物層的 X 射線光電子能譜（XPS）。（a-d）沿厚度方向Cu、Mn 和 Fe 元素XPS譜以及相應(yīng)元素組成的變化趨勢。（e）沿厚度方向三個區(qū)域的示意圖，包括富銅外表面（藍(lán)色）、相互融合區(qū)（黃色）和不銹鋼基底（灰色）。藍(lán)色和灰色三角形表示界面上 Mn/Cu 和 Fe 含量的變化趨勢。

圖3. 附著力和耐刮性能測試。（a）測試實驗示意圖。以約1.1 MPa的壓力將硬橡膠球壓在有表面層的不銹鋼上，來回刮擦2400次。（b）測試結(jié)束后，光學(xué)顯微鏡圖像顯示刮擦部位有明顯的橡膠碎屑。（c）洗去橡膠碎屑后，在摩擦區(qū)（兩條紅色虛線之間）沒有觀察到明顯的損耗。（b）和（c）中的比例尺為 500µm。這一優(yōu)異的附著性可歸結(jié)于圖2所示的表面層中元素的梯度連續(xù)分布，其可避免因界面成分突變而帶來的各種應(yīng)力。

圖4. 表面鍍層可緩慢釋放出銅離子，用以消毒。（a）在反應(yīng)中用不同比例的 CuSO4/KMnO4 制備表面層，測量其銅離子釋放量，并與純銅進(jìn)行比較。（b）對于在不同比例下制備的表面層，含銅總量和 500 分鐘后的釋放量。這有助于確定前驅(qū)體溶液中CuSO4/KMnO4的最佳配比。

本文是黃嘉興老師回國前，他的課題組在美國疫情期間轉(zhuǎn)換跑道進(jìn)行的4個公共衛(wèi)生與材料相結(jié)合的新科研項目之一。他們曾與國內(nèi)具有一線抗疫經(jīng)驗的生醫(yī)、臨床、公衛(wèi)專家們一起在ACS Nano上發(fā)表了全球首篇以物質(zhì)科學(xué)角度來分析在疫情中間如何有所作為的前瞻性論文[1]，此后又在Matter 上報道了一個可對逃逸液滴進(jìn)行消毒的新型口罩概念，以增強(qiáng)口罩以及類似遮擋物降低感染者傳染性的公共衛(wèi)生功能 [2]。另外他的課題組還開發(fā)出了基于護(hù)發(fā)素成分，能高效俘獲氣溶膠液滴的普適涂層，可用于室內(nèi)氣溶膠管理以及增強(qiáng)透明面罩和阻隔屏的公共防護(hù)功能 [3]。課題組的本科生在居家令期間遠(yuǎn)程上網(wǎng)課時，也在家里開展實驗，利用常見的不同材質(zhì)的毛線編織出了自帶電的、可過濾氣溶膠顆粒的織物 [4]。

本篇論文利用金屬鈍化在不銹鋼表面生長出帶一定抗菌性能的轉(zhuǎn)化層，可為將來設(shè)計自帶消毒衣的不銹鋼物件提供思路。最近黃嘉興課題組將相關(guān)金屬鈍化策略拓展至電池領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)表面鈍化還可以極大地提高鋅金屬電極的循環(huán)穩(wěn)定性[5]。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達(dá)原文頁面）：

Rub-Resistant Antibacterial Surface Conversion Layer on Stainless Steel

Haiyue Huang, Olivia Willilams Barber, Zhilong Yu, Hun Park, Xiaobing Hu, Xinqi Chen, Chun-Hu Chen, Erica M. Hartmann, Jiaxing Huang

Adv. Mater. Interfaces, 2022, DOI: 10.1002/admi.202200251

作者簡介

本篇論文第一作者為美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生、Ryan以及PPG獎獲得者黃海月，她在疫情中勇敢走出舒適圈，自學(xué)了病毒學(xué)、傳染病學(xué)以及公共衛(wèi)生方面的基礎(chǔ)知識，并分析了大量的相關(guān)醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)，前期作為第一作者起草了發(fā)表于ACS Nano的倡議書，同時也是前述Matter 論文的第一作者。在美國第一波疫情來襲，仇中和排擠國際學(xué)生言論泛起的背景下，她本人被專注高等教育的國際性媒體University World News作為正面例子 [6]，說明在美國際學(xué)生面對疫情更能突破傳統(tǒng)邊界，發(fā)起國際合作。她的相關(guān)工作被包括Chemical and Engineering News, FastCompany, Forbes, The Engineers, New York Magazine, The Kit在內(nèi)的眾多全球媒體多次報道，也被俄羅斯前總統(tǒng)梅德韋杰夫發(fā)起的SK科學(xué)基金會、科技創(chuàng)新方面的AMPT全球公益計劃、印度工程院等政府機(jī)構(gòu)或民間智庫重點(diǎn)引述，以動員研究人員積極面對疫情，還被包括美國空軍學(xué)院在內(nèi)的許多大學(xué)作為疫情期間教學(xué)的重點(diǎn)科學(xué)文獻(xiàn)，用以增強(qiáng)學(xué)生們的信心，引導(dǎo)他們善用疫情期間的時間，嘗試學(xué)以致用。

除了與公共衛(wèi)生相關(guān)的工作，黃海月在氧化石墨烯的基礎(chǔ)性質(zhì)方面也做出了重要的原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)。她現(xiàn)已隨黃嘉興老師回國，作為訪問學(xué)生加入了西湖大學(xué)，繼續(xù)進(jìn)行這兩方面的工作。

黃嘉興老師課題組網(wǎng)頁

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