【材料】不锈钢钝化层的新用途：自消毒抗菌表面

2022-03-22 14:22:08 作者：X-MOL资讯来源：X-MOL资讯分享至：

不锈钢被广泛应用于公共场所中的各类接触表面，例如门把手以及电梯中的扶手和按钮。如能将不锈钢表面带上自消毒功能，可有助于减少传染病通过间接接触的方式传播。

最近，原美国西北大学材料科学与工程系（现西湖大学工学院）黄嘉兴教授领导的合作研究报道了一种快捷的液相处理方法来给不锈钢物件穿上一件自消毒“外衣”。将不锈钢物件浸泡在温热的高锰酸钾和硫酸铜溶液中，通过表面转化反应，可在各种形状的物件表面形成均匀而共形的羟基氧化物层。多种表征观察显示该表面层无定形、连续且致密，厚度仅为10到15 纳米。从化学组成上看，该表面层（例如铜、锰）与不锈钢（例如铁）之间所含元素呈现梯度分布，相互融合，所以不存在明显的界面，这意味着该层生长过程中不易产生残余应力，也应具有优异的粘附力和持久性。研究人员使用硬橡胶球在处理过的不锈钢表面进行了刮擦实验，在超过2000次的反复刮擦后，硬橡胶已严重磨损，然而不锈钢表面层并没有受到明显损伤。这说明通过本文报道的方法产生的表面层应该足以耐受日常接触。此外，表层中的铜离子可以被缓慢释放到水中（例如通过毛细凝聚在含病原体颗粒周围的凝结水），增强了不锈钢表面的抗菌性。

图1. 通过表面转化反应给不锈钢穿上一层致密的羟基氧化物“消毒衣”。（a）将不锈钢棒浸入 CuSO4 和 KMnO4 的混合溶液中，（b）在 85 °C 下加热 1 小时。（c）在水和乙醇中清洗后，处理过的不锈钢表面呈金棕色。相同的步骤可用于其他形状的物体，例如（d）立方体和（e）网格。（f）光学显微镜图像和（g）原子力显微镜图像均显示该层均匀、致密、连续且共形。（h）该层厚度为 10 至 15 nm 之间。（c）-（e）中的比例尺为 1 厘米。

图2. 表面羟基氧化物层的 X 射线光电子能谱（XPS）。（a-d）沿厚度方向Cu、Mn 和 Fe 元素XPS谱以及相应元素组成的变化趋势。（e）沿厚度方向三个区域的示意图，包括富铜外表面（蓝色）、相互融合区（黄色）和不锈钢基底（灰色）。蓝色和灰色三角形表示界面上 Mn/Cu 和 Fe 含量的变化趋势。

图3. 附着力和耐刮性能测试。（a）测试实验示意图。以约1.1 MPa的压力将硬橡胶球压在有表面层的不锈钢上，来回刮擦2400次。（b）测试结束后，光学显微镜图像显示刮擦部位有明显的橡胶碎屑。（c）洗去橡胶碎屑后，在摩擦区（两条红色虚线之间）没有观察到明显的损耗。（b）和（c）中的比例尺为 500µm。这一优异的附着性可归结于图2所示的表面层中元素的梯度连续分布，其可避免因界面成分突变而带来的各种应力。

图4. 表面镀层可缓慢释放出铜离子，用以消毒。（a）在反应中用不同比例的 CuSO4/KMnO4 制备表面层，测量其铜离子释放量，并与纯铜进行比较。（b）对于在不同比例下制备的表面层，含铜总量和 500 分钟后的释放量。这有助于确定前驱体溶液中CuSO4/KMnO4的最佳配比。

本文是黄嘉兴老师回国前，他的课题组在美国疫情期间转换跑道进行的4个公共卫生与材料相结合的新科研项目之一。他们曾与国内具有一线抗疫经验的生医、临床、公卫专家们一起在ACS Nano上发表了全球首篇以物质科学角度来分析在疫情中间如何有所作为的前瞻性论文[1]，此后又在Matter 上报道了一个可对逃逸液滴进行消毒的新型口罩概念，以增强口罩以及类似遮挡物降低感染者传染性的公共卫生功能 [2]。另外他的课题组还开发出了基于护发素成分，能高效俘获气溶胶液滴的普适涂层，可用于室内气溶胶管理以及增强透明面罩和阻隔屏的公共防护功能 [3]。课题组的本科生在居家令期间远程上网课时，也在家里开展实验，利用常见的不同材质的毛线编织出了自带电的、可过滤气溶胶颗粒的织物 [4]。

本篇论文利用金属钝化在不锈钢表面生长出带一定抗菌性能的转化层，可为将来设计自带消毒衣的不锈钢物件提供思路。最近黄嘉兴课题组将相关金属钝化策略拓展至电池领域，发现表面钝化还可以极大地提高锌金属电极的循环稳定性[5]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Rub-Resistant Antibacterial Surface Conversion Layer on Stainless Steel

Haiyue Huang, Olivia Willilams Barber, Zhilong Yu, Hun Park, Xiaobing Hu, Xinqi Chen, Chun-Hu Chen, Erica M. Hartmann, Jiaxing Huang

Adv. Mater. Interfaces, 2022, DOI: 10.1002/admi.202200251

作者简介

本篇论文第一作者为美国西北大学材料科学与工程系博士生、Ryan以及PPG奖获得者黄海月，她在疫情中勇敢走出舒适圈，自学了病毒学、传染病学以及公共卫生方面的基础知识，并分析了大量的相关医学文献，前期作为第一作者起草了发表于ACS Nano的倡议书，同时也是前述Matter 论文的第一作者。在美国第一波疫情来袭，仇中和排挤国际学生言论泛起的背景下，她本人被专注高等教育的国际性媒体University World News作为正面例子 [6]，说明在美国际学生面对疫情更能突破传统边界，发起国际合作。她的相关工作被包括Chemical and Engineering News, FastCompany, Forbes, The Engineers, New York Magazine, The Kit在内的众多全球媒体多次报道，也被俄罗斯前总统梅德韦杰夫发起的SK科学基金会、科技创新方面的AMPT全球公益计划、印度工程院等政府机构或民间智库重点引述，以动员研究人员积极面对疫情，还被包括美国空军学院在内的许多大学作为疫情期间教学的重点科学文献，用以增强学生们的信心，引导他们善用疫情期间的时间，尝试学以致用。

除了与公共卫生相关的工作，黄海月在氧化石墨烯的基础性质方面也做出了重要的原创发现。她现已随黄嘉兴老师回国，作为访问学生加入了西湖大学，继续进行这两方面的工作。

黄嘉兴老师课题组网页

https://www.jxhuang-lab.com/