基于谐动防污策略的仿生功能表面的构建原理及防污机制

Bio-fouling caused by the marine microorganisms bring great harm to the ships and marine facilities. It is found that the elastic epidermis and tentacles of typical marine organisms, such as corals, can prevent the formation of microbial membrane effectively by means of certain elastic deformation with certain amplitude and frequency to response to the periodic function of the wave. A kind of bionic anti-fouling functional surface proposed to construct based on the above biological "harmonic" antifouling strategy in the present project. This surface adopted low modulus polymer as base membrane and some coral tentacles-like structures are constructed on it. The research will focuses on the bacteriostatic behavior and anti-fouling mechanism of responsive deformation amplitude and frequency of above surface, which stimulated by the different amplitude and frequency of the simulated wave. The relationship among fluid medium stimulation, surface parameters response and the microbial adhesion/anti-adhension behavior will be investigated, and the system dynamic model of "harmonic" anti-fouling function surface and fluid medium will be constructed. The ‘driving effect’ and anti-fouling mechanism of ‘harmonious’ anti-fouling function on microorganisms is proved from the perspective of ‘harmonious’ anti-fouling strategy which does not allow microorganisms to stay on stable surface and not give enough time to secrete enhanced mucus. Above research provides new ideas for the development of green and long-acting anti-fouling principles and techniques.

海洋微生物对固壁表面黏附，形成生物污损,对舰、船及海洋设施带来极大危害。研究发现珊瑚等典型海洋生物的弹性表皮及触手通过一定频率和振幅的弹性变形对波浪/洋流的周期性激励做出“谐动”响应,可有效防止微生物膜的形成。基于生物上述“谐动”防污策略，本项目提出构建具有“谐动”防污功能的仿生表面。该表面以低模量聚合物作为基膜，在其上构筑类触手状结构；研究上述功能表面的弹性模量、触手形态参数在不同波幅、不同频率模拟波浪作用下，其“谐动”响应参数如变形幅值、频率等对海洋中常见细菌黏附的抑制行为及机制；探讨流体介质激励-防污功能表面的“谐动”响应-微生物黏附/脱附行为及规律,构建“谐动”防污功能表面与流体介质系统谐动防污动力学模型；“谐动”防污策略不给微生物停留稳定表面及分泌增强黏液的时间，从此角度出发，探明“谐动”防污功能表面对微生物的“驱赶”效应及防污机制，为绿色、长效防污原理及技术的发展提供新思路。

海洋生物污损，导致舰、船阻力增加、装备腐蚀，是阻碍人类走向远海、开发远海资源最大障碍。本项目以典型海洋生物花环肉质软珊瑚为原型，通过观察、模拟环境试验开展了花环肉质软珊瑚在活体常态、非常态及死体状态下的防污策略，得出活体花环肉质软珊瑚其弹性体表依靠流体介质的激励，产生微米级别的弹性变形，防止微生物的黏附；另外，珊瑚触手在流体介质下作用下，产生 “谐动”扫掠，从而有效减少“细菌颗粒”的附着。受珊瑚上述防污策略启发，基于试验优化设计，开展了“谐动”防污表面的设计与优化研究工作，本项目利用与珊瑚表面质地相似的室温硫化硅橡胶（RTV-2）并加入质量百分数为0.36wt%的石墨烯模仿珊瑚弹性表皮，依据结构相似性原理，设计珊瑚触手长度为7 mm-13 mm；触手底部直径约1 mm，顶部直径约0.8 mm，底端直径为1mm，利用机械共混法与模板法构筑上述结构，并利用自制的模拟海洋波动波浪装置进行动态防污性能试验，获得优化后的“谐动”防污仿生功能表面的优化参数为触手长度为13mm，间距为2.5mm。针对湍流状态是流体稳定且常态的现状，将湍流描述成脉动压力随时间变化的函数，考虑到湍流的运动会和弹性表面发生相互作用，从而在表面产生微小形变会引起表面振动，基于Kulik模型，建立了流体介质激励下，谐动防污表面沿横向及纵向方面产生的谐动响应数学模型。利用matlab计算出谐动表面形变和厚度的比值与弹性模量的关系，得出当谐动表面弹性模量E=0.6 或1.2 MPa时，存在最大微米级形变。利用CFD耦合EDME软件，采用流固耦合模拟计算，开展了“谐动”防污机制的研究工作，获得防污机制主要为：流体介质与弹性防污表面的谐动现象迷惑了微生物对表面的识别机制；二者的谐动产生的横向及纵向的位移，降低了微生物在表面的黏附能力；柔性触手随流体介质的激励，产生的横线、纵向及二次震颤现象对微生物的扫掠，驱赶微生物的黏附。