仿生水下超疏油防污界面的设计制备与性能调控

Our country is developing into marine power nation, which urgently needs high performance materials for marine applications. Protection of marine equipments is one of big challenges, whereas marine pollution and biological fouling greatly increase the difficulty of marine equipment protection. This project intends to develop multiscale biomimic superhydrophilic polymeric interfaces to prevent the adhesion problems of small organic molecules/proteins/cells/ marine creatures. deadhesion interface materials. We will research into the antibiofouling mechanisms from the natural biological surfaces, based on which biomimic surfaces will be fabricated. We will explore a number of approaches to build up multiscale polymeric interfaces including hydrophilic polymer brushes and hydrogels. The underwater super oleophobic property under different water condition and physicochemical issues of marine creatures adhesion onto solid-liquid interface under marine environment will be investigated so as to obtain the relationship between the biological adhesion and chemical composition and surface microstructure under the effect of interfacial shearing and to obtain the synergistic antifouling mechanism of multiscale interfaces. The interfacial wetting and adhesion properties will be modulated through control of polymer chains conformation and hydration states. High impact research papers will be published and the basic research reaches the international frontier level. Through the guidance of fundamental research, long-term marine antifouling interfacical materials will be developed. The study will provide theoretical basis and technical support in the fields of bionics, material science and so on.

我国正在发展成为海洋大国，海洋材料为国家亟需，海洋工程装备防护为其中的难题，而海洋污染物和生物污损会大大增加海洋装备防护的困难。本项目拟仿生构筑多尺度超亲水的聚合物界面解决水环境下有机小分子/蛋白/细胞/海洋生物等的附着问题。研究自然界水下生物界面的防污机理，以此指导仿生界面的构筑；探索多种多尺度聚合物（亲水性聚合物刷、水凝胶）界面构筑方法，研究其在不同水环境条件下的超疏油特性以及海洋污染物在模拟海水环境下于液-固界面粘附的基本物理化学问题，获得化学组成、表面微观结构等界面参数在界面剪切作用下与生物粘附的关系规律，获得多尺度界面的协同防污机理。通过大分子构象变化、水化状态的改变实现海洋污染物润湿粘附的调控。发表一批高水平研究论文，研究工作达到国际先进水平；通过基础研究指导材料设计，发展长效防海洋污染物粘附的界面材料。本项目将为仿生学、材料学等学科的相关研究提供理论依据与技术支持。

我国正在发展成为海洋大国，海洋材料为国家亟需，海洋工程装备防护为其中的难题，而海洋污染物和生物污损会大大增加海洋装备防护的困难。在此背景之下，本项目研究内容如下：研究天然生物污损物的附着机制，仿生设计组分和结构耦合的多尺度界面，考察其水下防污特性以及液-固界面粘附的基本科学问题，获得多尺度界面的协同防污理念；通过大分子构象、水化状态的可逆变化，实现海洋污染物润湿粘附的可逆调控；在此基础上，发展新型防污涂层。截止目前，项目取得的重要结果和数据分为以下几部分：1. 仿生织构化多尺度复合表面制备及防污机理研究。① 发展了纳米限域聚合、亚表面引发自由基聚合和表面催化引发自由基聚合等多种防污表面构筑新方法；② 基于上述方法，完成了水凝胶纳米纤维微刷、层状-表面粗糙化多级结构、仿生超亲水凝胶层等多种仿生多尺度表面的制备，研究了表面微结构尺寸与藻类细胞附着之前的相关性，发现仿生多尺度微纳表面生物污损量明显减小。2. 揭示了表面化学组成、润湿性、以及形貌与组成协同效应对防污机理和性能的影响规律。研究结果表明：① 中性表面和阳离子表面均显示出更优的防污效果；② 随着表面水化层厚度的增加，生物污损行为发生的概率明显降低；③ 组分与微结构耦合的仿生多尺度微纳表面在静、动态下都具有优异的防污效果。3. 发展了具有温度、电场以及界面小分子弱相互作用力诱导的多重响应润湿粘附调控界面。① 实现了外界电压刺激下微纳表面浸润性调控，实现了细胞的粘附与去粘附；② 首次实现了水下湿粘附的可逆调控；③ 实现了仿生水凝胶超亲弹性界面的减阻行为调控。4. 开发了负载狼毒的防污涂层、接枝抗污分子的防污涂层以及多组分水性防污涂层。实验结果表明：① 两性防污涂层可实现高达90%的污损减少量；② 水性防污涂层在8个月的实海挂片中展现出了稳定的抗污性能。本项目的开展为深层次认识了自然界生物污损机制、构筑多尺度水下防污界面以及开发高效防污涂层技术提供了指导。