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  2. 郝湘平:創新海洋腐蝕防護,研發智能防污涂層
    2024-03-21 15:34:24 作者:鳳凰網 來源:鳳凰網 分享至:

     

     

    郝湘平

    助理研究員,主要從事微生物腐蝕與防護,功能填料、涂層設計開發工作。任Frontiers in Materials期刊客座主編。

    主持國家自然科學基金青年基金、中國博士后科學基金面上項目、參與國家重點研發計劃等項目。以第一/通訊作者身份在Corrosion ScienceChemical Engineering Journal等期刊發表論文17篇(Top 7篇),授權發明專利5項。獲中國腐蝕與防護學會科學技術獎一等獎、中國海洋大學“博士生國家獎學金”、抗菌科學與技術論壇優秀論文等。


    海洋環境是極其苛刻的腐蝕環境,近年來,隨著我國海洋強國戰略的逐步推進,海洋經濟逐漸崛起,對海洋工程裝備的研發設計提出了更高的要求,尤其在腐蝕防護技術方面面臨著巨大挑戰。海洋中的微生物會引起海洋工程材料腐蝕破壞,造成安全隱患等問題。此外,生物污損也會造成船舶運輸過程中能源損耗加劇、燃料費用增加、甚至外來物種入侵等問題。因此,隨著我國海洋強國戰略的逐步推進與深入,對海洋長效型、智能型防腐防污涂料的技術需求已成為迫切需要解決的難題。

     

      北京科技大學材料科學與工程學院特聘副教授郝湘平,雖然是一個年輕的“九零后”女性科研人員,但是她用嬌小而又堅強的身軀奮戰在海洋腐蝕防護領域,致力于研發抗菌防污智能涂層,主要從事微生物腐蝕與防護,功能填料、涂層設計開發工作。作為抗菌智能涂層開發與海洋腐蝕防護領域一名冉冉升起的新星,郝湘平現已在自修復腐蝕防護涂層開發與功能協同抑菌涂層研發方面取得了一系列創新型的科研成果。



    逐夢科研

    投身海洋腐蝕防護研究


     

    一名科研工作者,要堅守科研理念,堅守初心、腳踏實地,才能干出一番成績。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景線。

    生于1992年的郝湘平,從小就是“別人家的孩子”,其他同學還在看動漫、玩游戲的時候,她就展現了對科學的興趣,學習用功、品學兼優。2009年,郝湘平以優異的成績考入了中國海洋大學,選擇專業時她卻陷入了煩惱,猶豫不知道該選擇什么專業。當時,隨著納米技術的快速發展,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。此后四年,她就在大學校園里汲取著知識、豐富著自我,并多次獲得社會實踐獎學金、優秀青年志愿者等獎勵。

    2013年,郝湘平本科畢業后,為了加深和鞏固自己的理論知識,她選擇了繼續在中國海洋大學碩博連讀,碩士專業是材料物理與化學,博士專業海洋化學工程與技術。碩士階段,她多次獲得學業一等獎學金、優秀生源地獎學金;博士期間,她還前往加拿大卡爾加里大學進行為期一年的博士訪學,經過系統學習腐蝕相關知識和電化學理論知識,同時開展頁巖氣微生物管道腐蝕方面的調研工作,大幅度提升了她的科研水平和科研素養,為未來的科研開展奠定了堅實基礎。

    博士畢業后,郝湘平于2020年9月進入北京科技大學新材料技術研究院從事博士后研究,主要從事微生物腐蝕與防護,功能填料、涂層設計研究開發。巾幗不讓須眉、創新就是力量,近年來,郝湘平的研究工作忙碌而充實,她在海洋工程材料腐蝕與防護領域取得了重要的成果。

    區別于目前傳統的基于物理化學手段的本征和外援型自修復防腐涂層,郝湘平針對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礦化作用修復破損涂層的自修復新策略。主要以廣泛存在于海洋環境中分離出的腐敗希瓦氏菌作為誘導礦化菌株,人工海水模擬培養基作為培養液,對涂層進行人為破壞制造缺陷,研究微生物礦化自修復涂層。

    最終實驗結果證明:通過微生物生物礦化作用實現了破損環氧涂層的自修復;在微生物2216E培養基中,腐敗希瓦氏菌和鈣離子共同存在是生物礦化發生的必要條件;2216E培養基中微生物的生物礦化過程導致涂層缺陷處形成均勻致密的無機-有機產物,有效提升受損涂層耐蝕性能,經過14天培養,劃傷涂層的耐蝕性幾乎完全恢復,修復后的涂層表現出良好的阻隔效果;腐敗希瓦氏菌更易于在暴露的鋼基體上定殖,這可能是因為金屬基體能夠為腐敗希瓦氏菌生長繁殖提供能量。

    為了進一步驗證該猜想,郝湘平進一步研究了在不同碳源條件下,胞外電子傳遞(EET)對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系。在實驗中,她將涂覆破損環氧涂層的碳鋼樣品浸入到不同人工海水培養基(2216E、碳源:75%、50%、25%)中,并與常規2216E培養基(碳源100%)進行比較。

    實驗結果表明,培養一段時間后,當環境中碳源不足時,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;當環境中缺乏碳源時,雖然EET能促進涂層缺陷處細菌的富集,但加速了腐蝕過程,生成腐蝕產物,同時抑制了生物礦化作用;當環境中碳源充足時,支持腐敗希瓦氏菌代謝途徑則主要依靠有氧呼吸,此時生物礦化作用占了主導地位,并表現出抑制腐蝕的作用。

     

    吾生有涯,而知無涯。郝湘平追逐自己的科研夢想,或許冥冥之中注定的緣分,讓她選擇了海洋腐蝕防護領域進行研究。自從進入北京科技大學新材料技術研究院以來,她依托這個平臺,不斷勤奮進取,摘取成果,服務國家,這就是她不斷奮進的科研目標。

    創新突破

    抗菌涂層護航海洋工程


     

    隨著我國海洋開發的速度不斷加快,海洋工程裝備也由近海、淺海走向遠海、深海,對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,海洋腐蝕防護領域需要解決的另一個重點問題就是海洋微生物污損,因為在生物污損進程中,微生物產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,抑制細菌生長和生物膜形成成為防污過程中的關鍵問題之一。

    海洋殺菌防污材料經歷了由簡單到復雜、短效到長效、功能到智能的發展過程,針對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,郝湘平設計開發了一種環境友好的非釋放型殼聚糖-b-聚乙二醇殺菌膠束。這項細菌觸發“非釋放型”殺菌膠束的制備及性能研究結果表明,隨著環境酸化,膠束帶電性變化,進而引發結構變化,使包覆在內的殼聚糖暴露,達到殺菌目的。

    循環穩定性結果表明,由于網絡納米膠束的連續質子化和去質子化,可逆結構納米膠束不僅能夠保護有效殺菌部分,并且延長了殼聚糖-b-聚乙二醇納米膠束的抑菌壽命。該項研究不僅拓寬了藥物遞送、抗菌領域的設計思想,更加開拓了海洋裝備智能防護材料的研究思路。

    近年來,生物膜對材料防腐、防污的影響作用被越來越多報道,在這其中,d-氨基酸的抗生物膜能力也愈來愈受到關注。d-氨基酸作為天然l-氨基酸的對映異構體,是細菌細胞成員肽聚糖中的重要成分。研究人員發現,細菌并不表現出對外源性d-氨基酸的排它性,例如,d-半胱氨酸可以通過周質中的氨基酸交換反應替代內源性對應物,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響應的聚多巴胺/氧化石墨烯-d-亮氨酸薄膜,借助d-亮氨酸獨特的兩性電解質特點,使其與氧化石墨烯產生協同抗菌,抗黏附性能。結果表明,釋放的d-亮氨酸是實現該協同性能的關鍵,通過平板菌落法和活/死菌染色法分析,該薄膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現出了優異的殺菌性能和抗黏附性能。

    以此為基礎,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,進一步通過冷浴攪拌的方法將d-脯氨酸固定到膠囊上,實現了環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,實現了環境響應抑菌協同抗生物黏附材料的設計與開發。該涂層兼具優異的抗菌、抗生物膜和pH響應性能,具備儲存穩定、智能控釋及環境友好等優勢,具有廣泛的應用前景。

    迄今為止,郝湘平已經負責主持了國家自然科學基金青年基金、中國博士后科學基金面上項目等科研項目5項,參與國家重點研發計劃項目等科研項目7項。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等高水平期刊共計發表論文18篇(Top 7篇),現已授權國家發明專利5項。

    如果說郝湘平是一只內心懷有遠大夢想的雛鷹,那么海洋腐蝕防護研究領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,在前輩指導和自身努力的加持下,她才能在科研上取得飛躍式的進步。正因為優秀的成果和突出的貢獻,讓郝湘平屢獲榮譽:榮獲中國腐蝕與防護學會科學技術獎一等獎、中國海洋大學“博士生國家獎學金”、全國抗菌科學與技術論壇優秀論文等,她還入選了第九屆中國科協“青年托舉人才”。

     

    經過十余年的苦讀,她完成了由學生到老師的身份轉變,而唯一不變的是一顆初心。春去冬來、寒來暑往,從現在到未來,郝湘平不會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航。

     

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