创新海洋腐蚀防护 研发智能防污涂层

  海洋环境是极其苛刻的腐蚀环境，近年来，随着我们国家海洋强国战略的逐步推进，海洋经济逐渐崛起，对海洋工程装备的研发设计提出了更高的要求，尤其在腐蚀防护技术方面面临着巨大挑战。海洋中的微生物会引起海洋工程材料腐蚀破坏，造成安全风险隐患等问题。此外，生物污损也会造成船舶运送过程中能源损耗加剧、燃料费用增加、甚至外来物种入侵等问题。因此，随着我们国家海洋强国战略的逐步推进与深入，对海洋长效型、智能型防腐防污涂料的技术需求已成为迫切地需要解决的难题。

  北京科技大学材料科学与工程学院特聘副教授郝湘平，虽然是一个年轻的“九零后”女性科研人员，但是她用娇小而又坚强的身躯奋战在海洋腐蚀防护领域，致力于研发抗菌防污智能涂层，主要从事微生物腐蚀与防护，功能填料、涂层设计开发工作。作为抗菌智能涂层开发与海洋腐蚀防护领域一名冉冉升起的新星，郝湘平现已在自修复腐蚀防护涂层开发与功能协同抑菌涂层研发方面取得了一系列创新型的科研成果。

  一名科研工作者，要坚守科研理念，坚守初心、脚踏实地，才能干出一番成绩。作为一名年轻的科研人员，郝湘平展示了自己敢想敢为、又善作善成的精神，在自己刚开始的科研生涯上，就描绘出了人生一道靓丽的风景线年的郝湘平，从小就是“别人家的孩子”，其他同学还在看动漫、玩游戏的时候，她就展现了对科学的兴趣，学习用功、品学兼优。2009年，郝湘平以优异的成绩考入了中国海洋大学，选择专业时她却陷入了烦恼，犹豫不知道该选择什么专业。当时，随着纳米技术的快速发展，新材料研究成为科研热潮，于是，郝湘平就选择了高分子材料与工程专业。此后四年，她就在大学校园里汲取着知识、丰富着自我，并多次获得社会实践奖学金、优秀青年志愿者等奖励。

  2013年，郝湘平本科毕业后，为了加深和巩固自己的理论知识，她选择了继续在中国海洋大学硕博连读，硕士专业是材料物理与化学，博士专业海洋化学工程与技术。硕士阶段，她多次获得学业一等奖学金、优秀生源地奖学金;博士期间，她还前往加拿大卡尔加里大学进行为期一年的博士访学，经过系统学习腐蚀相关知识和电化学理论知识，同时开展页岩气微生物管道腐蚀方面的调研工作，大幅度提升了她的科研水平和科研素养，为未来的科研开展奠定了坚实基础。

  博士毕业后，郝湘平于2020年9月进入北京科技大学新材料技术研究院从事博士后研究，主要从事微生物腐蚀与防护，功能填料、涂层设计研究开发。巾帼不让须眉、创新就是力量，近年来，郝湘平的研究工作忙碌而充实，她在海洋工程材料腐蚀与防护领域取得了重要的成果。

  区别于目前传统的基于物理化学手段的本征和外援型自修复防腐涂层，郝湘平针对生物矿化层具有良好的防腐性能，提出了一种基于微生物诱导矿化作用修复破损涂层的自修复新策略。主要以广泛存在于海洋环境中分离出的腐败希瓦氏菌作为诱导矿化菌株，人工海水模拟培养基作为培养液，对涂层进行人为破坏制造缺陷，研究微生物矿化自修复涂层。最终实验结果证明：通过微生物生物矿化作用实现了破损环氧涂层的自修复;在微生物2216E培养基中，腐败希瓦氏菌和钙离子共同存在是生物矿化发生的必要条件;2216E培养基中微生物的生物矿化过程导致涂层缺陷处形成均匀致密的无机-有机产物，有效提升受损涂层耐蚀性能，经过14天培养，划伤涂层的耐蚀性几乎完全恢复，修复后的涂层表现出良好的阻隔效果;腐败希瓦氏菌更易于在暴露的钢基体上定殖，这可能是因为金属基体能够为腐败希瓦氏菌生长繁殖提供能量。

  为了进一步验证该猜想，郝湘平进一步研究了在不同碳源条件下，胞外电子传递(EET)对腐败希瓦氏菌的生物矿化的影响，并初步建立了生物矿化与腐蚀过程的关系。在实验中，她将涂覆破损环氧涂层的碳钢样品浸入到不同人工海水培养基(2216E、碳源：75%、50%、25%)中，并与常规2216E培养基(碳源100%)进行比较。实验结果表明，培养一段时间后，当环境中碳源不足时，腐败希瓦氏菌可通过EET从涂层缺陷处暴露的钢基体中获取电子，支持其代谢;当环境中缺乏碳源时，虽然EET能促进涂层缺陷处细菌的富集，但加速了腐蚀过程，生成腐蚀产物，同时抑制了生物矿化作用;当环境中碳源充足时，支持腐败希瓦氏菌代谢途径则主要依靠有氧呼吸，此时生物矿化作用占了主导地位，并表现出抑制腐蚀的作用。

  吾生有涯，而知无涯。郝湘平追逐自己的科研梦想，或许冥冥之中注定的缘分，让她选择了海洋腐蚀防护领域进行研究。自从进入北京科技大学新材料技术研究院以来，她依托这个平台，不断勤奋进取，摘取成果，服务国家，这就是她不断奋进的科研目标。

  随着我国海洋开发的速度不断加快，海洋工程装备也由近海、浅海走向远海、深海，对船舶与海洋工程材料的性能提出了更高的要求，亟待提高海洋工程材料的防腐防污性能。她表示，海洋腐蚀防护领域要解决的另一个重点问题就是海洋微生物污损，因为在生物污损进程中，微生物产生的生物膜可以作为温床为其他污损生物体提供充足的条件，因此，抑制细菌生长和生物膜形成成为防污过程中的关键问题之一。

  海洋杀菌防污材料经历了由简单到复杂、短效到长效、功能到智能的发展过程，针对目前智能控释体系释放防污剂后，材料使用寿命受限的问题，郝湘平设计开发了一种环境友好的非释放型壳聚糖-b-聚乙二醇杀菌胶束。这项细菌触发“非释放型”杀菌胶束的制备及性能研究根据结果得出，随着环境酸化，胶束带电性变化，进而引发结构变化，使包覆在内的壳聚糖暴露，达到杀菌目的。循环稳定性根据结果得出，由于网络纳米胶束的连续质子化和去质子化，可逆结构纳米胶束不仅能够保护有效杀菌部分，并且延长了壳聚糖-b-聚乙二醇纳米胶束的抑菌寿命。该项研究不仅拓宽了药物递送、抗菌领域的设计思想，更加开拓了海洋装备智能防护材料的研究思路。

  近年来，生物膜对材料防腐、防污的影响作用被越来越多报道，在这其中，d-氨基酸的抗生物膜能力也愈来愈受到关注。d-氨基酸作为天然l-氨基酸的对映异构体，是细菌细胞成员肽聚糖中的重要成分。研究人员发现，细菌并不表现出对外源性d-氨基酸的排它性，例如，d-半胱氨酸可以通过周质中的氨基酸交换反应替代内源性对应物，该特性可用于影响生物膜的形成和成熟生物膜的分散。郝湘平在研究中，通过自组装法制备了具有pH响应的聚多巴胺/氧化石墨烯-d-亮氨酸薄膜，借助d-亮氨酸独特的两性电解质特点，使其与氧化石墨烯产生协同抗菌，抗黏附性能。根据结果得出，释放的d-亮氨酸是实现该协同性能的关键，通过平板菌落法和活/死菌染色法分析，该薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出了优异的杀菌性能和抗黏附性能。以此为基础，郝湘平提出了一种抑菌抗粘附疏水防污涂层及其制备方法，该方法以天然苦参碱作为芯材，以天然高分子壳聚糖作为壁材，通过微乳液聚合法制备壳聚糖包封苦参碱的微胶囊，进一步通过冷浴搅拌的方法将d-脯氨酸固定到胶囊上，实现了环境友好型杀菌成分的按需释放。最终通过喷涂法制备出高性能的智能防污涂层，实现了环境响应抑菌协同抗生物黏附材料的设计与开发。该涂层兼具优异的抗菌、抗生物膜和pH响应性能，具备储存稳定、智能控释及环境友好等优势，具有广泛的应用前景。

  迄今为止，郝湘平已经负责主持了国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金面上项目等科研项目5项，参与国家重点研发计划项目等科研项目7项。在理论著述方面，郝湘平也以第一/通讯作者身份在Corrosion Science，Chemical Engineering Journal等高水平期刊共计发表论文18篇(Top 7篇)，现已授权国家发明专利5项。

  如果说郝湘平是一只内心怀有远大梦想的雏鹰，那么海洋腐蚀防护研究领域给了她自由翱翔的一片天空。她说自己是站在巨人的肩膀上成长起来的，在前辈指导和自身努力的加持下，她才能在科研上取得飞跃式的进步。正因为优秀的成果和突出的贡献，让郝湘平屡获荣誉：荣获中国腐蚀与防护学会科技奖一等奖、中国海洋大学“博士生国家奖学金”、全国抗菌科学与技术论坛优秀论文等，她还入选了第九届中国科协“青年托举人才”。

  十年寒窗读书苦，一朝成名天下知。如今，郝湘平经过十余年的读书阶段，目前担任北京科技大学材料科学与工程学院特聘副教授，她完成了由学生到老师的身份转变。唯一不变的是一颗初心，春去冬来、寒来暑往，从现在到未来，郝湘平不会停下攀登科研高峰的脚步，让我们期待她取得更多科研成果，为我国海洋工程材料防腐保驾护航。文/王依