華南理工大學(xué)馬春風(fēng)教授AM：高分子材料創(chuàng)新設(shè)計，突破海洋防污“芯”

隨著陸地資源的日趨減少，海洋資源的開發(fā)與利用已成為許多海洋國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。然而，在海洋開發(fā)進(jìn)程中，遠(yuǎn)洋船舶、海上平臺、核電站、海洋牧場等不可避免地會遇到海洋生物污損問題，它是指海洋微生物、動植物在海洋裝備與設(shè)施表面粘附、生長所形成的生物垢，其會降低船舶航行速度，加速海洋裝備腐蝕，堵塞海水冷卻管路，影響海洋養(yǎng)殖產(chǎn)量等，從而對海洋工業(yè)造成深刻影響。由于海洋環(huán)境復(fù)雜嚴(yán)苛、污損生物種類多樣、環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，海洋防污一直是國際性難題，特別是靜態(tài)、長效、生態(tài)友好防污，極具挑戰(zhàn)性。長期以來，國內(nèi)外開發(fā)了多種防污策略來應(yīng)對海洋污損挑戰(zhàn)，包括防污涂層法，機(jī)械清洗法、電解海水或超聲波處理法等 。其中，使用防污涂層是目前最經(jīng)濟(jì)、有效、簡便的方法。傳統(tǒng)型防污涂層是利用材料中釋放的防污劑如銅類化合物等來殺滅污損生物，盡管有效，但它們會帶來環(huán)境和生態(tài)風(fēng)險。 因此，研究 開發(fā)環(huán)境友好海洋防污體系十分重要。

華南理工大學(xué)海洋工程材料團(tuán)隊長期從事海洋先進(jìn)防護(hù)高分子材料研究。借助于高分子材料創(chuàng)新設(shè)計，先后研制了針對船體、螺旋槳以及內(nèi)海水系統(tǒng)的系列防污材料，相關(guān)技術(shù)已在各類船舶、海洋能源裝備等規(guī)模化應(yīng)用 (Adv. Mater. 2025, 37, 2413035; Adv. Funct. Mater. 2025, e25696; Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2508400; Prog. Polym. Sci. 2024, 154, 101840; Acc. Chem. Res. 2022, 55, 1586)。 最近，該團(tuán)隊系統(tǒng)總結(jié)了海洋防污高分子材料及其界面設(shè)計的最新進(jìn)展，包括 化學(xué)動態(tài)表面防污材料、物理動態(tài)表面防污材料、污損脫附型防污材料、污損阻抗型防污材料和其它新興防污材料等。

圖1. 環(huán)境友好海洋防污體系及策略

“動態(tài)表面防污”策略是指不斷發(fā)生化學(xué)或物理變化的表面可有效抑制污損生物的附著，表面變化越快，污損生物越少。項目團(tuán)隊首先利用自行搭建的數(shù)字全息顯微鏡，研究了可降解高分子涂層與海水界面附近海洋細(xì)菌的三維運(yùn)動行為，證明了涂層表面降解（變化）速度越高，細(xì)菌越趨向于遠(yuǎn)離表面運(yùn)動，在涂層表面粘附越少。該策略明確了動態(tài)表面對防污材料的重要性及必要性，為高性能防污材料的設(shè)計指明了方向，開辟了海洋防污的新路徑。由此，衍生出化學(xué)動態(tài)表面防污材料和物理動態(tài)表面防污材料。 化學(xué)動態(tài)表面防污材料主要基于高分子可控降解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，包括主鏈降解型、主鏈降解—側(cè)鏈水解型(雙解)以及最新一代的超支化雙解型高分子基防污材料。它們在海洋環(huán)境中能形成可控的自更新“動態(tài)表面”，通過對降解速率、釋放速率等因素的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、長效、生態(tài)友好防污。 物理動態(tài)表面防污材料主要基于外部刺激下產(chǎn)生不穩(wěn)定或可變形的界面實(shí)現(xiàn)，它們不僅使污損生物更難粘附，而且通過動態(tài)變形可促進(jìn)已經(jīng)附著在表面的污損生物脫附。目前 外源性刺激如電場或磁場已被用于制備動態(tài)表面防污材料，也得到很好的驗(yàn)證。但如何根據(jù)在航裝備或者海上平臺的服役特點(diǎn)設(shè)計制備物理動態(tài)表面防污材料，將具有更廣泛的適用性。

圖2. 化學(xué)動態(tài)表面防污材料

圖3. 物理動態(tài)表面防污材料

污損脫附型防污材料是指與污損生物間粘附強(qiáng)度較弱的材料，通過水流沖刷或機(jī)械清除等物理作用即可達(dá)到防污目的。目前以柔性有機(jī)硅彈性體為主， 其核心為低表面能、高彈性、表面光滑等，使得污損生物不易于粘附或附著不牢。然而它們通常存在力學(xué)強(qiáng)度低、與基底附著力弱、靜態(tài)防污能力差等問題。基于“剛?cè)岵?jì)”策略，通過有機(jī)-無機(jī)雜化方式將線型聚二甲基硅氧烷網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為體型聚硅氧烷高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而制備高強(qiáng)韌 “聚合物陶瓷”涂層，是污損脫附型防污材料發(fā)展的重要方向。該材料兼具有聚合 物和陶瓷的性質(zhì)(即柔性陶瓷)，表現(xiàn)出高硬度、高附著力、耐磨性，在保持污損脫附性能的同時，可引入污損阻抗基團(tuán)，并拓展到抗油、抗垢、抗冰等。進(jìn)一步還可引入自修復(fù)或可回收功能，有望成為下一代海洋防污涂層。

圖4. 污損脫附型防污材料優(yōu)缺點(diǎn)

圖5. “聚合物陶瓷”污損脫附型防污材料

污損阻抗型防污材料是指可抑制、阻止海生物附著生長的材料，通常為親水性高分子，其表面可形成一層水化層，當(dāng)生物靠近時要突破水化層才能與基體表面粘結(jié)，這就導(dǎo)致需要更多能量，因此降低了粘附的可能性。這類材料主要包括聚乙二醇、兩性離子聚合物和水凝膠等，對蛋白質(zhì)、海洋細(xì)菌、綠藻孢子和藤壺幼蟲等的阻抗能力良好。然而，對于具有水化層的防污材料，如何實(shí)現(xiàn)親水性和力學(xué)強(qiáng)度之間的平衡仍然具有挑戰(zhàn)性。自生成兩性離子聚合物與表面自富集策略等的出現(xiàn)提供了潛在解決方案。對于其它類型的污損阻抗策略，如 蛋白質(zhì)基涂層和帶電涂層，它們在海洋環(huán)境中的長期有效性還需要進(jìn)一步研究。

圖6. 污損阻抗型防污材料

除了以上防污材料外，新興的防污策略（如天然防污劑、酶防污劑、紫外線照射）也在積極探索中。這些新興方法旨在為海洋防污提供環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效和可擴(kuò)展的解決方案。然后，這些新興策略也需要新型高分子材料相互協(xié)同，例如要解決天然防污劑或酶防污劑在防污體系中的相容性、活性和可控釋放，這就需要高分子材料的創(chuàng)新設(shè)計來實(shí)現(xiàn)。

圖7. 新興防污策略

綜上所述，本文重點(diǎn)討論了海洋防污高分子材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，然后探討了當(dāng)前海洋防污面臨的挑戰(zhàn)，并提出了可能解決方案。展望未來，海洋防污技術(shù)的趨勢和重點(diǎn)是生態(tài)友好、長效、廣譜、智能化。這需要多領(lǐng)域的交叉研究，如防污手段與智能檢測的融合、防污材料與深度學(xué)習(xí)的融合等。該綜述旨在為讀者提供對海洋防污高分子材料和界面的全面了解，同時激發(fā)對新一代環(huán)境友好海洋防污體系的研究。相關(guān)工作以“ Leveraging Polymeric Design for Marine Anti-Biofouling: Mechanism, System, and Future”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，華南理工大學(xué)博士生黃印杰為本文第一作者，馬春風(fēng)教授為本文通訊作者。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202518234