東北大學(xué)徐大可、周恩澤AFM：具有優(yōu)異抗腐蝕性細(xì)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(xué)前沿 來源：高分子科學(xué)前沿
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近日，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王福會教授團(tuán)隊(duì)徐大可教授課題組和大連理工大學(xué)盧一平教授團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周恩澤副教授，通訊作者為徐大可教授和盧一平教授。細(xì)菌和病毒在金屬材料表面的黏附容易導(dǎo)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(dāng)前材料領(lǐng)域亟需解決的難題之一，全球因微生物腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總腐蝕損失的20%，因此從合金材料角度研發(fā)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(guān)鍵。到目前為止，人們已成功開發(fā)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(jī)械性能的同時(shí)達(dá)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(fā)揮合金成分中各元素的優(yōu)良特性，使抗菌合金材料的發(fā)展受到一定限制。因此，開發(fā)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(lǐng)域的研究已逐漸取得關(guān)注。已有研究表明，含銅高熵合金可以達(dá)到遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)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(xué)性能和耐腐蝕性能。因此，開發(fā)一種兼具力學(xué)-抗菌-抗病毒-抗微生物腐蝕的高熵合金對于推進(jìn)結(jié)構(gòu)功能一體化的新型合金材料應(yīng)用至關(guān)重要。針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)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(tǒng)力學(xué)性能測試、抗菌抗病毒試驗(yàn)、耐腐蝕性能對比分析，旨在闡明銅銀在高熵合金中發(fā)揮的協(xié)同作用優(yōu)勢，解決高熵合金優(yōu)異抗菌抗病毒性能、耐腐蝕性能和力學(xué)性能之間的平衡問題。圖1 高熵合金的制備與結(jié)構(gòu)性能分析圖5 高熵合金與微生物共培養(yǎng)后ROS產(chǎn)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(huán)境、醫(yī)療器械以及公共場所中的廣闊應(yīng)用前景。銅和銀作為最常用的兩種無機(jī)抗菌元素，作者首次將它們引入抗菌高熵合金設(shè)計(jì)中，顯示出優(yōu)異的綜合性能。與僅含銅高熵合金相比，其力學(xué)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(qiáng)度達(dá)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(xié)同釋放，產(chǎn)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(dá)99.9%）和革蘭氏陽性越南芽孢桿菌（抗菌率達(dá)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(yǎng)后24小時(shí)，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(yī)療器械等領(lǐng)域用合金材料的抗菌性能和抗病毒性能要求，同時(shí)能夠滿足如跨海大橋、深海埋地管道、船艦等國家重大防護(hù)工程設(shè)備合金材料所需的高強(qiáng)度、抗菌和耐微生物腐蝕性能。東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事金屬材料的微生物腐蝕機(jī)理和耐微生物腐蝕材料研發(fā)，目前已在Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Water Res., Corros Sci., J. Mater. Sci. Technol.等發(fā)表SCI論文20余篇，3篇入選ESI高被引論文；授權(quán)國內(nèi)發(fā)明專利6項(xiàng)；主持中國科協(xié)“青年人才托舉工程”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題、遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金面上項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金面上項(xiàng)目、中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目等，獲得省部級一等獎2項(xiàng)。東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院徐大可教授和大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jī)理和防治的相關(guān)研究及抗菌金屬材料和海洋防污涂層的研發(fā)。以第一作者或通訊作者發(fā)表高水平論文140余篇，其中4篇入選ESI熱點(diǎn)論文，12篇入選ESI高被引論文，為微生物腐蝕領(lǐng)域全球高被引論文最多的學(xué)者，入選2021全球頂尖前10萬科學(xué)家榜單、全球前2%頂尖科學(xué)家2020-2023榜單、愛思唯爾高被引學(xué)者2023榜單。授權(quán)PCT國際專利1項(xiàng)，國內(nèi)專利15項(xiàng)。作為課題負(fù)責(zé)人主持國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目（2項(xiàng)）、973專項(xiàng)服務(wù)課題、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等科技部、基金委、企業(yè)項(xiàng)目27項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)超過4000萬元；擔(dān)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(hù)學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎（1/15，1/14）、遼寧省自然科學(xué)二等獎（1/5）等多項(xiàng)榮譽(yù)稱號。盧一平教授為大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，大連市頂尖級領(lǐng)軍人才（2023）、中組部科技創(chuàng)新萬人領(lǐng)軍人才計(jì)劃（2020）、科技部中青年科技領(lǐng)軍人才（2020）、大連市杰出青年基金獲得者（2019）、國家優(yōu)青（2018）、首屆“興遼英才計(jì)劃”遼寧省青年拔尖人才（2018），主要從事高熵合金的成分設(shè)計(jì)理論以及工業(yè)化制備技術(shù)研究。站在世界科技前沿，提出了共晶高熵合金設(shè)計(jì)思想，開辟了共晶高熵合金這一新的研究領(lǐng)域和分支，屬于從0到1的工作。設(shè)計(jì)制備的AlCoCrFeNi系合金具有優(yōu)異的力學(xué)和耐蝕性能及鑄造性能，產(chǎn)生了重要學(xué)術(shù)影響和潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。近5年以第一作者/通信作者發(fā)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(gè)國家240個(gè)不同的研究機(jī)構(gòu)引用超過1萬余次，單篇論文最高引用1300余次，授權(quán)發(fā)明專利16項(xiàng)。該研究工作獲得了國家杰出青年科學(xué)基金、中國寶武低碳冶金創(chuàng)新基金、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會青年人才托舉工程、國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202419467
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