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  2. 郝湘平:創(chuàng)新海洋腐蝕防護(hù),研發(fā)智能防污涂層
    2024-03-21 15:34:24 作者:鳳凰網(wǎng) 來源:鳳凰網(wǎng) 分享至:

     

     

    郝湘平

    助理研究員,主要從事微生物腐蝕與防護(hù),功能填料、涂層設(shè)計(jì)開發(fā)工作。任Frontiers in Materials期刊客座主編。

    主持國家自然科學(xué)基金青年基金、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。以第一/通訊作者身份在Corrosion Science,Chemical Engineering Journal等期刊發(fā)表論文17篇(Top 7篇),授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)。獲中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國海洋大學(xué)“博士生國家獎(jiǎng)學(xué)金”、抗菌科學(xué)與技術(shù)論壇優(yōu)秀論文等。


    海洋環(huán)境是極其苛刻的腐蝕環(huán)境,近年來,隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),海洋經(jīng)濟(jì)逐漸崛起,對(duì)海洋工程裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)提出了更高的要求,尤其在腐蝕防護(hù)技術(shù)方面面臨著巨大挑戰(zhàn)。海洋中的微生物會(huì)引起海洋工程材料腐蝕破壞,造成安全隱患等問題。此外,生物污損也會(huì)造成船舶運(yùn)輸過程中能源損耗加劇、燃料費(fèi)用增加、甚至外來物種入侵等問題。因此,隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)與深入,對(duì)海洋長效型、智能型防腐防污涂料的技術(shù)需求已成為迫切需要解決的難題。

     

      北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘副教授郝湘平,雖然是一個(gè)年輕的“九零后”女性科研人員,但是她用嬌小而又堅(jiān)強(qiáng)的身軀奮戰(zhàn)在海洋腐蝕防護(hù)領(lǐng)域,致力于研發(fā)抗菌防污智能涂層,主要從事微生物腐蝕與防護(hù),功能填料、涂層設(shè)計(jì)開發(fā)工作。作為抗菌智能涂層開發(fā)與海洋腐蝕防護(hù)領(lǐng)域一名冉冉升起的新星,郝湘平現(xiàn)已在自修復(fù)腐蝕防護(hù)涂層開發(fā)與功能協(xié)同抑菌涂層研發(fā)方面取得了一系列創(chuàng)新型的科研成果。



    逐夢(mèng)科研

    投身海洋腐蝕防護(hù)研究


     

    一名科研工作者,要堅(jiān)守科研理念,堅(jiān)守初心、腳踏實(shí)地,才能干出一番成績(jī)。作為一名年輕的科研人員,郝湘平展示了自己敢想敢為、又善作善成的精神,在自己剛開始的科研生涯上,就描繪出了人生一道靚麗的風(fēng)景線。

    生于1992年的郝湘平,從小就是“別人家的孩子”,其他同學(xué)還在看動(dòng)漫、玩游戲的時(shí)候,她就展現(xiàn)了對(duì)科學(xué)的興趣,學(xué)習(xí)用功、品學(xué)兼優(yōu)。2009年,郝湘平以優(yōu)異的成績(jī)考入了中國海洋大學(xué),選擇專業(yè)時(shí)她卻陷入了煩惱,猶豫不知道該選擇什么專業(yè)。當(dāng)時(shí),隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,新材料研究成為科研熱潮,于是,郝湘平就選擇了高分子材料與工程專業(yè)。此后四年,她就在大學(xué)校園里汲取著知識(shí)、豐富著自我,并多次獲得社會(huì)實(shí)踐獎(jiǎng)學(xué)金、優(yōu)秀青年志愿者等獎(jiǎng)勵(lì)。

    2013年,郝湘平本科畢業(yè)后,為了加深和鞏固自己的理論知識(shí),她選擇了繼續(xù)在中國海洋大學(xué)碩博連讀,碩士專業(yè)是材料物理與化學(xué),博士專業(yè)海洋化學(xué)工程與技術(shù)。碩士階段,她多次獲得學(xué)業(yè)一等獎(jiǎng)學(xué)金、優(yōu)秀生源地獎(jiǎng)學(xué)金;博士期間,她還前往加拿大卡爾加里大學(xué)進(jìn)行為期一年的博士訪學(xué),經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)腐蝕相關(guān)知識(shí)和電化學(xué)理論知識(shí),同時(shí)開展頁巖氣微生物管道腐蝕方面的調(diào)研工作,大幅度提升了她的科研水平和科研素養(yǎng),為未來的科研開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

    博士畢業(yè)后,郝湘平于2020年9月進(jìn)入北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院從事博士后研究,主要從事微生物腐蝕與防護(hù),功能填料、涂層設(shè)計(jì)研究開發(fā)。巾幗不讓須眉、創(chuàng)新就是力量,近年來,郝湘平的研究工作忙碌而充實(shí),她在海洋工程材料腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域取得了重要的成果。

    區(qū)別于目前傳統(tǒng)的基于物理化學(xué)手段的本征和外援型自修復(fù)防腐涂層,郝湘平針對(duì)生物礦化層具有良好的防腐性能,提出了一種基于微生物誘導(dǎo)礦化作用修復(fù)破損涂層的自修復(fù)新策略。主要以廣泛存在于海洋環(huán)境中分離出的腐敗希瓦氏菌作為誘導(dǎo)礦化菌株,人工海水模擬培養(yǎng)基作為培養(yǎng)液,對(duì)涂層進(jìn)行人為破壞制造缺陷,研究微生物礦化自修復(fù)涂層。

    最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:通過微生物生物礦化作用實(shí)現(xiàn)了破損環(huán)氧涂層的自修復(fù);在微生物2216E培養(yǎng)基中,腐敗希瓦氏菌和鈣離子共同存在是生物礦化發(fā)生的必要條件;2216E培養(yǎng)基中微生物的生物礦化過程導(dǎo)致涂層缺陷處形成均勻致密的無機(jī)-有機(jī)產(chǎn)物,有效提升受損涂層耐蝕性能,經(jīng)過14天培養(yǎng),劃傷涂層的耐蝕性幾乎完全恢復(fù),修復(fù)后的涂層表現(xiàn)出良好的阻隔效果;腐敗希瓦氏菌更易于在暴露的鋼基體上定殖,這可能是因?yàn)榻饘倩w能夠?yàn)楦瘮∠M呤暇L繁殖提供能量。

    為了進(jìn)一步驗(yàn)證該猜想,郝湘平進(jìn)一步研究了在不同碳源條件下,胞外電子傳遞(EET)對(duì)腐敗希瓦氏菌的生物礦化的影響,并初步建立了生物礦化與腐蝕過程的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中,她將涂覆破損環(huán)氧涂層的碳鋼樣品浸入到不同人工海水培養(yǎng)基(2216E、碳源:75%、50%、25%)中,并與常規(guī)2216E培養(yǎng)基(碳源100%)進(jìn)行比較。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,培養(yǎng)一段時(shí)間后,當(dāng)環(huán)境中碳源不足時(shí),腐敗希瓦氏菌可通過EET從涂層缺陷處暴露的鋼基體中獲取電子,支持其代謝;當(dāng)環(huán)境中缺乏碳源時(shí),雖然EET能促進(jìn)涂層缺陷處細(xì)菌的富集,但加速了腐蝕過程,生成腐蝕產(chǎn)物,同時(shí)抑制了生物礦化作用;當(dāng)環(huán)境中碳源充足時(shí),支持腐敗希瓦氏菌代謝途徑則主要依靠有氧呼吸,此時(shí)生物礦化作用占了主導(dǎo)地位,并表現(xiàn)出抑制腐蝕的作用。

     

    吾生有涯,而知無涯。郝湘平追逐自己的科研夢(mèng)想,或許冥冥之中注定的緣分,讓她選擇了海洋腐蝕防護(hù)領(lǐng)域進(jìn)行研究。自從進(jìn)入北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院以來,她依托這個(gè)平臺(tái),不斷勤奮進(jìn)取,摘取成果,服務(wù)國家,這就是她不斷奮進(jìn)的科研目標(biāo)。

    創(chuàng)新突破

    抗菌涂層護(hù)航海洋工程


     

    隨著我國海洋開發(fā)的速度不斷加快,海洋工程裝備也由近海、淺海走向遠(yuǎn)海、深海,對(duì)船舶與海洋工程材料的性能提出了更高的要求,亟待提高海洋工程材料的防腐防污性能。她表示,海洋腐蝕防護(hù)領(lǐng)域需要解決的另一個(gè)重點(diǎn)問題就是海洋微生物污損,因?yàn)樵谏镂蹞p進(jìn)程中,微生物產(chǎn)生的生物膜可以作為溫床為其他污損生物體提供充足的條件,因此,抑制細(xì)菌生長和生物膜形成成為防污過程中的關(guān)鍵問題之一。

    海洋殺菌防污材料經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、短效到長效、功能到智能的發(fā)展過程,針對(duì)目前智能控釋體系釋放防污劑后,材料使用壽命受限的問題,郝湘平設(shè)計(jì)開發(fā)了一種環(huán)境友好的非釋放型殼聚糖-b-聚乙二醇?xì)⒕z束。這項(xiàng)細(xì)菌觸發(fā)“非釋放型”殺菌膠束的制備及性能研究結(jié)果表明,隨著環(huán)境酸化,膠束帶電性變化,進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)變化,使包覆在內(nèi)的殼聚糖暴露,達(dá)到殺菌目的。

    循環(huán)穩(wěn)定性結(jié)果表明,由于網(wǎng)絡(luò)納米膠束的連續(xù)質(zhì)子化和去質(zhì)子化,可逆結(jié)構(gòu)納米膠束不僅能夠保護(hù)有效殺菌部分,并且延長了殼聚糖-b-聚乙二醇納米膠束的抑菌壽命。該項(xiàng)研究不僅拓寬了藥物遞送、抗菌領(lǐng)域的設(shè)計(jì)思想,更加開拓了海洋裝備智能防護(hù)材料的研究思路。

    近年來,生物膜對(duì)材料防腐、防污的影響作用被越來越多報(bào)道,在這其中,d-氨基酸的抗生物膜能力也愈來愈受到關(guān)注。d-氨基酸作為天然l-氨基酸的對(duì)映異構(gòu)體,是細(xì)菌細(xì)胞成員肽聚糖中的重要成分。研究人員發(fā)現(xiàn),細(xì)菌并不表現(xiàn)出對(duì)外源性d-氨基酸的排它性,例如,d-半胱氨酸可以通過周質(zhì)中的氨基酸交換反應(yīng)替代內(nèi)源性對(duì)應(yīng)物,該特性可用于影響生物膜的形成和成熟生物膜的分散。

    郝湘平在研究中,通過自組裝法制備了具有pH響應(yīng)的聚多巴胺/氧化石墨烯-d-亮氨酸薄膜,借助d-亮氨酸獨(dú)特的兩性電解質(zhì)特點(diǎn),使其與氧化石墨烯產(chǎn)生協(xié)同抗菌,抗黏附性能。結(jié)果表明,釋放的d-亮氨酸是實(shí)現(xiàn)該協(xié)同性能的關(guān)鍵,通過平板菌落法和活/死菌染色法分析,該薄膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出了優(yōu)異的殺菌性能和抗黏附性能。

    以此為基礎(chǔ),郝湘平提出了一種抑菌抗粘附疏水防污涂層及其制備方法,該方法以天然苦參堿作為芯材,以天然高分子殼聚糖作為壁材,通過微乳液聚合法制備殼聚糖包封苦參堿的微膠囊,進(jìn)一步通過冷浴攪拌的方法將d-脯氨酸固定到膠囊上,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好型殺菌成分的按需釋放。最終通過噴涂法制備出高性能的智能防污涂層,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境響應(yīng)抑菌協(xié)同抗生物黏附材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該涂層兼具優(yōu)異的抗菌、抗生物膜和pH響應(yīng)性能,具備儲(chǔ)存穩(wěn)定、智能控釋及環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),具有廣泛的應(yīng)用前景。

    迄今為止,郝湘平已經(jīng)負(fù)責(zé)主持了國家自然科學(xué)基金青年基金、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目等科研項(xiàng)目5項(xiàng),參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等科研項(xiàng)目7項(xiàng)。在理論著述方面,郝湘平也以第一/通訊作者身份在Corrosion ScienceChemical Engineering Journal等高水平期刊共計(jì)發(fā)表論文18篇(Top 7篇),現(xiàn)已授權(quán)國家發(fā)明專利5項(xiàng)。

    如果說郝湘平是一只內(nèi)心懷有遠(yuǎn)大夢(mèng)想的雛鷹,那么海洋腐蝕防護(hù)研究領(lǐng)域給了她自由翱翔的一片天空。她說自己是站在巨人的肩膀上成長起來的,在前輩指導(dǎo)和自身努力的加持下,她才能在科研上取得飛躍式的進(jìn)步。正因?yàn)閮?yōu)秀的成果和突出的貢獻(xiàn),讓郝湘平屢獲榮譽(yù):榮獲中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國海洋大學(xué)“博士生國家獎(jiǎng)學(xué)金”、全國抗菌科學(xué)與技術(shù)論壇優(yōu)秀論文等,她還入選了第九屆中國科協(xié)“青年托舉人才”。

     

    經(jīng)過十余年的苦讀,她完成了由學(xué)生到老師的身份轉(zhuǎn)變,而唯一不變的是一顆初心。春去冬來、寒來暑往,從現(xiàn)在到未來,郝湘平不會(huì)停下攀登科研高峰的腳步,讓我們期待她取得更多科研成果,為我國海洋工程材料防腐保駕護(hù)航。

     

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