东北大学徐大可、周恩泽AFM：具有优异抗腐蚀性细菌、抗新冠性能的多功能高熵合金
2024-12-16 13:08:46
作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿
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近日，东北大学材料科学与工程学院王福会教授团队徐大可教授课题组和大连理工大学卢一平教授团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“A Novel Cu and Ag Bearing High-Entropy Alloy with Remarkable Antibacterial, Antiviral and Anti-microbial Corrosion Performances”的研究论文。论文第一作者为东北大学材料科学与工程学院周恩泽副教授，通讯作者为徐大可教授和卢一平教授。细菌和病毒在金属材料表面的黏附容易导致食品污染和病毒感染，腐蚀性生物被膜的形成还会加速海工用钢、输油管道等合金材料的微生物腐蚀。微生物腐蚀也是当前材料领域亟需解决的难题之一，全球因微生物腐蚀造成的经济损失约占总腐蚀损失的20%，因此从合金材料角度研发自身具有抗菌抗病毒耐微生物腐蚀能力的新型合金材料就显得尤为关键。到目前为止，人们已成功开发了系列抗菌不锈钢材料，但对于不锈钢材料而言，在保持材料的耐腐蚀性和机械性能的同时达到良好的抗菌效果，所能添加的铜最大含量通常不超过5wt%，难以发挥合金成分中各元素的优良特性，使抗菌合金材料的发展受到一定限制。因此，开发多主元的高熵合金被确定为提高合金材料抗菌抗病毒及耐微生物腐蚀能力的有效策略。近年来，抗菌高熵合金用于微生物腐蚀防治领域的研究已逐渐取得关注。已有研究表明，含铜高熵合金可以达到远优于传统含铜不锈钢的抗菌效果，然而，大量富铜相的存在并不利于高熵合金的力学性能和耐腐蚀性能。因此，开发一种兼具力学-抗菌-抗病毒-抗微生物腐蚀的高熵合金对于推进结构功能一体化的新型合金材料应用至关重要。针对这一挑战，研究团队开发了一种新型的含铜银高熵合金，并以只含银和只含铜的高熵合金为对照，通过系统力学性能测试、抗菌抗病毒试验、耐腐蚀性能对比分析，旨在阐明铜银在高熵合金中发挥的协同作用优势，解决高熵合金优异抗菌抗病毒性能、耐腐蚀性能和力学性能之间的平衡问题。图5 高熵合金与微生物共培养后ROS产量及对新冠肺炎病毒抗性分析在本研究中，铜银高熵合金展示了在苛刻海洋腐蚀环境、医疗器械以及公共场所中的广阔应用前景。铜和银作为最常用的两种无机抗菌元素，作者首次将它们引入抗菌高熵合金设计中，显示出优异的综合性能。与仅含铜高熵合金相比，其力学性能和耐腐蚀性能都得到显著改善，铜银高熵合金的屈服强度达到400 MPa，比铜高熵合金高1.3倍，比304不锈钢高1.9倍。有菌浸泡7天后，铜银高熵合金的腐蚀电流密度为0.7 μA cm−2，而铜高熵合金的腐蚀电流密度为1.8 μA cm−2，耐微生物腐蚀性能提高1倍多。与仅含银高熵合金相比，铜银高熵合金能够通过铜离子和银离子的协同释放，产生更高浓度的活性氧，杀灭海洋中普遍存在的腐蚀性革兰氏阴性铜绿假单胞菌（抗菌率达99.9%）和革兰氏阳性越南芽孢杆菌（抗菌率达99.9%），显示出其高效广谱抗菌性能。此外，铜银高熵还具有显著的抗病毒特性，与新冠肺炎病毒（SARS-CoV-2）共培养后24小时，铜银高熵表面可杀死约99%的新冠肺炎病毒，使其不具有传染性。该合金不仅能够满足如食品加工、生活家居和医疗器械等领域用合金材料的抗菌性能和抗病毒性能要求，同时能够满足如跨海大桥、深海埋地管道、船舰等国家重大防护工程设备合金材料所需的高强度、抗菌和耐微生物腐蚀性能。东北大学材料科学与工程学院副教授周恩泽与博士研究生杨艺为本论文共同第一作者，周恩泽于2023年3月加入东北大学材料科学与工程学院，主要从事金属材料的微生物腐蚀机理和耐微生物腐蚀材料研发，目前已在Adv. Funct. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Water Res., Corros Sci., J. Mater. Sci. Technol.等发表SCI论文20余篇，3篇入选ESI高被引论文；授权国内发明专利6项；主持中国科协“青年人才托举工程”项目、国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划项目子课题、辽宁省自然科学基金联合基金面上项目、广东省基础与应用基础研究基金面上项目、中国博士后科学基金面上项目等，获得省部级一等奖2项。东北大学材料科学与工程学院徐大可教授和大连理工大学材料科学与工程学院卢一平教授为本论文共同通讯作者为。徐大可教授主要从事金属材料微生物腐蚀机理和防治的相关研究及抗菌金属材料和海洋防污涂层的研发。以第一作者或通讯作者发表高水平论文140余篇，其中4篇入选ESI热点论文，12篇入选ESI高被引论文，为微生物腐蚀领域全球高被引论文最多的学者，入选2021全球顶尖前10万科学家榜单、全球前2%顶尖科学家2020-2023榜单、爱思唯尔高被引学者2023榜单。授权PCT国际专利1项，国内专利15项。作为课题负责人主持国家杰出青年科学基金项目，国家自然科学基金联合重点项目（2项）、973专项服务课题、国家重点研发计划课题等科技部、基金委、企业项目27项，经费超过4000万元；担任Research, J. Mater. Sci. Technol, npj Mater. Degrad.等期刊编辑及特刊主编/副主编和编委。先后获得中国腐蚀与防护学会科学技术奖一等奖（1/15，1/14）、辽宁省自然科学二等奖（1/5）等多项荣誉称号。卢一平教授为大连理工大学材料科学与工程学院院长，大连市顶尖级领军人才（2023）、中组部科技创新万人领军人才计划（2020）、科技部中青年科技领军人才（2020）、大连市杰出青年基金获得者（2019）、国家优青（2018）、首届“兴辽英才计划”辽宁省青年拔尖人才（2018），主要从事高熵合金的成分设计理论以及工业化制备技术研究。站在世界科技前沿，提出了共晶高熵合金设计思想，开辟了共晶高熵合金这一新的研究领域和分支，属于从0到1的工作。设计制备的AlCoCrFeNi系合金具有优异的力学和耐蚀性能及铸造性能，产生了重要学术影响和潜在的工业应用价值。近5年以第一作者/通信作者发表SCI论文150余篇，一作/通信作者ESI高被引论文12篇，上述成果被36个国家240个不同的研究机构引用超过1万余次，单篇论文最高引用1300余次，授权发明专利16项。该研究工作获得了国家杰出青年科学基金、中国宝武低碳冶金创新基金、中国科学技术协会青年人才托举工程、国家自然科学基金青年项目和国家重点研发计划的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202419467
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