海洋生物污损——微生物、藻类和较大生物在水体暴露表面上不断积累——是航运、工业和水产养殖中最顽固且代价高昂的问题之一。苏丹卡布斯大学的研究人员现已报告了一种材料策略，将微观表面图案与纳米级氧化锌结构相结合，使细菌和微藻更难附着。研究结果发表在《PLOS One》期刊上。
这项研究由Al-Busaidi、Dobretsov、Kyaw和Myint撰写，在三种不同图案的聚合物表面（标记为D1、D2和D3）上制备了氧化锌纳米棒涂层。所得材料在纳米级氧化锌结构下方叠加了微米级形貌，随后研究团队测量了每种组合在实验室流动条件下抵抗定殖的能力。
为什么生物污损是一个持续存在的工程问题
当微生物和较大的海洋生物在水下表面积累时，其后果会波及整个运营过程。被污损的船体会拖曳更多水，从而降低船舶性能并增加燃料消耗。腐蚀加速。进水口和热交换器可能被堵塞。水产养殖设备同样受到影响，同一过程威胁着养鱼场赖以运行的硬件。
这些成本长期以来推动着防污材料的探索。较旧的方法已被证明有效，但往往以环境为代价，该领域已日益聚焦于既能限制附着又能降低环境毒性的耐用涂层。苏丹卡布斯大学团队将其纳米结构方法定位于这一努力之中。
工程化表面是如何构建的
研究人员在带有三种不同微图案的聚合物基底上制备了氧化锌纳米棒涂层。扫描电子显微镜图像记录了未涂覆微图案聚合物的几何形状，以及三种设计各自的横截面，为施加ZnO层之前提供了结构基线。
设计逻辑在于结合两个长度尺度。微米级图案改变水和生物与表面的相互作用方式，而纳米级氧化锌棒则在更精细的分辨率上增加化学性质和纹理。两种结构层次共同产生的材料，其行为与普通聚合物截然不同。
在流动条件下测试
团队没有依赖静态浸泡，而是在实验室流动条件下测试了工程化表面。两种生物作为主要生物探针：细菌大肠杆菌和海洋硅藻Amphora sp.。同时选择一种细菌和一种硅藻，使研究人员能够考察污损过程的两个不同阶段——初始细菌附着和有助于形成生物膜群落的单细胞藻类沉降。
团队还使用白对虾Litopenaeus vannamei的幼体评估了可能的急性毒性，这一步直接回应了防污化学物质是否会危害非目标海洋生物的更广泛问题。
润湿性发生显著变化
施加氧化锌涂层改变了图案化聚合物的润湿行为。未涂覆表面的水接触角约为80至90度。涂覆后，接触角攀升至约150至165度，使表面具有高度疏水性。
这种变化很重要，因为降低的润湿性可以限制液膜扩散的速度以及生物与表面建立接触的牢固程度。在本研究中，润湿性被视为若干因素之一，而非观察到的防污性能的唯一解释。
附着结果因图案和生物而异
生物学结果揭示了明显的图案依赖性效应。在涂覆的D1、D2和D3表面上，细菌附着分别下降了60.3%、48.8%和5.8%。与此同时，硅藻覆盖在同样三种表面上分别下降了9.9%、72.9%和71.8%。
- D1：细菌附着减少最强，为60.3%，但硅藻覆盖仅下降9.9%。
- D2：细菌减少中等，为48.8%，同时硅藻覆盖大幅下降72.9%。
- D3：细菌结果最弱，为5.8%，但仍使硅藻覆盖下降71.8%。
这些数字的分布值得注意。没有任何单一微图案在两种生物类型上都占主导：最能阻止细菌的几何形状对硅藻表现不佳，反之亦然。这种差异表明，两种生物对不同的表面线索作出反应，而图案几何形状是一个可调变量，而非已解决的问题。
防污效果的驱动因素
作者将性能归因于多种机制的组合，而非单一主导因素。他们的解释包括锌离子释放、活性氧物种的产生、表面的润湿性，以及微米级和纳米级结构之间的相互作用。
锌离子释放和活性氧物种是化学途径，可以干扰附着的生物，而润湿性和微纳尺度形貌则代表物理途径，影响生物能否首先锚定。将这些作为综合效应提出，与观察到的不同图案间的差异一致——共享相同氧化锌化学性质但微图案几何形状不同的表面，产生了显著不同的生物学结果。
环境问题仍然悬而未决
锌在海洋环境中并非中性添加剂，依赖离子释放的涂层引发了关于水体中长期暴露的合理疑问。将白对虾幼体纳入测试计划直接承认了这一矛盾。这项工作未能建立的是完整的环境概况；急性毒性测试只是早期步骤，而非对生态系统影响的全面评估。
然而，更广泛的目标是明确的：性能良好且没有旧化学物质相关缺点的防污材料。将物理形貌与受控化学组分相结合的涂层，可能提供在限制所需活性材料用量的同时调节性能的方法。
微米和纳米结构防污的下一步
这些结果引出了若干问题。真实的海洋环境呈现出比单一细菌和单一硅藻复杂得多的污损群落，而且污损的发展历时数月，而非实验室流动测试的时间框架。在磨损、阳光和反复浸泡下的耐久性将决定图案化氧化锌涂层能否在实际使用中存活。
尽管如此，这项研究为防污文献增添了有用的数据点。它表明，微米级图案化和纳米级氧化锌可以在聚合物基底上结合，所得表面变得高度疏水，并且细菌和硅藻的附着可以大幅减少——减少的幅度在很大程度上取决于使用哪种图案。
对于从事船体涂层、进水口保护和水产养殖硬件工作的工程师来说，这种图案依赖性行为是最具可操作性的发现：表面纹理的设计可能与其所施加的化学性质同样重要。
本文基于Phys.org的报道。阅读原文。
Originally published on phys.org
