華南理工大學(xué)教授張廣照：以動(dòng)治靜，開辟海洋防污新路徑

你可能想不到，茫茫大海中，有大量的海洋污損生物與船只相伴而行，附著在船底下免費(fèi)旅行。然而，它們所帶來的危害不可小覷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因海洋生物污損導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)500億美元以上。

海洋防污作為一個(gè)全球性的問題，涉及能源、環(huán)境、國防等國家重大需求。然而，海洋防污材料研發(fā)技術(shù)難度極大，被稱為海洋材料界的“桂冠”級難題。來自華南理工大學(xué)教授張廣照科研團(tuán)隊(duì)，在國際上最早提出“以動(dòng)治靜”的“動(dòng)態(tài)表面防污”策略，開辟了海洋防污的新路徑。

“動(dòng)態(tài)表面防污材料如同可靠的‘防護(hù)衣’，使我國海洋裝備免受污損生物的黏附和侵蝕，為裝備的高效運(yùn)行和長期服役提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。”團(tuán)隊(duì)成員馬春風(fēng)教授說。不久前，這一技術(shù)成果榮獲2021年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

造船行業(yè)防污材料曾多來自外企

“海洋生物污損是指海洋微生物、動(dòng)物和植物在船體等設(shè)備表面吸附、生長和繁殖所形成的生物垢。”馬春風(fēng)介紹，一艘長滿海洋生物污損的船只，每平方米增重高達(dá)80公斤。它會增大船舶航行阻力，降低航速，還會堵塞核電站、熱電站的冷卻水管路，阻礙波浪能發(fā)電、潮汐發(fā)電等裝備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)氯ＫB(yǎng)殖網(wǎng)箱的網(wǎng)孔，導(dǎo)致魚蝦大面積死亡。

國際上一直致力于解決海洋生物污損問題。為什么海洋防污材料研發(fā)難呢?馬春風(fēng)指出，全球不同海域有著不同溫度、鹽度，適用于某些海域的涂料，在其他海域也許并不適合。且海洋生物種類繁多，超過4千種，以一種材料防治所有海洋生物，更是難上加難。

我國擁有近300萬平方公里的海域和32000公里長的海岸線，90%的進(jìn)出口貨運(yùn)總量都是通過海上運(yùn)輸來完成的。隨著我國海洋事業(yè)的不斷推進(jìn)，不止是航母，各類深海裝備、遠(yuǎn)洋船舶、海上風(fēng)電等，都面臨著海洋防污的問題。但我國在此領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展并不理想，此前我國造船行業(yè)95%防污涂料的市場均為外企所占據(jù)。

2003年，項(xiàng)目第一完成人張廣照把目光聚焦在海洋防污研究上。隨后在兩個(gè)國家重大科學(xué)研究計(jì)劃的支持下，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)踏上“動(dòng)態(tài)表面海洋防污材料及配套防護(hù)技術(shù)”的課題攻關(guān)之路。

“在實(shí)驗(yàn)室里防污效果很好的材料，一拿到海洋里就不行了。無數(shù)次的推翻、重來，直到2012年，我們在技術(shù)攻關(guān)上才開始取得突破性的進(jìn)展。2013年至2016年之間，相關(guān)技術(shù)理論及成果開始正式形成，并進(jìn)入到實(shí)用及成果轉(zhuǎn)化的階段。”馬春風(fēng)說，這一研究就投入了將近20年的時(shí)間。

首次提出“動(dòng)態(tài)表面防污”策略

“在我們進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域之前，基礎(chǔ)性的探索工作已經(jīng)有很多。坦白地講，我們最初想走捷徑，跟蹤國外有關(guān)抗蛋白吸附材料方面的工作。海洋生物污損的形成始于蛋白質(zhì)、糖蛋白等的吸附，能抗蛋白的材料應(yīng)該可以抗污，這在理論上是行得通的。”張廣照說。2006年開始，他們先后制備了系列兼具優(yōu)異抗蛋白吸附和力學(xué)性能的聚氨酯材料，并開展了多年海洋實(shí)驗(yàn)。結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)：能抗蛋白吸附并不等于能防治海洋污染。

“抗蛋白吸附材料本身的確具有抗污損生物黏附的能力，但它們不具有長效性，特別是在一些污損嚴(yán)重的海域兩個(gè)月就失去防污能力。得出這個(gè)結(jié)論時(shí)，已經(jīng)過去了5年時(shí)間。”馬春風(fēng)感嘆道。

痛定思痛，他們只能另辟蹊徑，當(dāng)時(shí)注意到輪船上的污損主要是在停泊時(shí)形成的，在航行時(shí)污損不多，聯(lián)想到古語中的“流水不腐，戶樞不蠹”亦有類似含義，他們在國際上首次創(chuàng)新性提出走“動(dòng)態(tài)表面”的路子，有效應(yīng)對靜態(tài)防污。

“當(dāng)船舶、海洋裝備處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，讓材料表面自己‘動(dòng)’起來，使得海洋生物不易黏附。這就是‘以動(dòng)治靜’的‘動(dòng)態(tài)表面防污’策略。如何實(shí)現(xiàn)呢?我們也是摸索著前進(jìn)。”馬春風(fēng)告訴記者，團(tuán)隊(duì)一直從事高分子化學(xué)與物理的工作，很自然就想到生物降解高分子，其降解可以形成動(dòng)態(tài)表面。當(dāng)然，生物降解高分子同時(shí)會降低涂料的壽命。

循著此方向，他們通過對材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了防污效能與服役期之間的矛盾。同時(shí)，他們注意到，有些海洋生物的身體表面不會被污損生物黏附，其原因在于它們會分泌一些特殊物質(zhì)。受此啟發(fā)，他們也采用仿生學(xué)的原理，通過“以污治污”的方法，在動(dòng)態(tài)表面防污體系中引入海洋天然產(chǎn)物基防污劑，使其緩慢、可控地釋放到海洋中，從而實(shí)現(xiàn)“取之海洋，用之海洋”的全新理念。

“我們的材料可降解為無毒小分子，不產(chǎn)生海洋微塑料，更加生態(tài)友好，且防污期效已突破7年。”馬春風(fēng)說。

基于該策略,他們還研制了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能防污材料，從最初的主鏈降解型，發(fā)展至主鏈降解—側(cè)鏈水解型(雙解)，再到最新一代的超支化雙解型高分子,并開發(fā)出與之配套的連接材料和防護(hù)技術(shù)。目前，動(dòng)態(tài)表面防污技術(shù)已獲授權(quán)中外發(fā)明專利30余件，打破了國外在海洋防污技術(shù)方面的壟斷，推動(dòng)了我國海洋防污技術(shù)的發(fā)展。

防污效果比國外材料更勝一籌

2016年，他們成功完成了動(dòng)態(tài)表面防污材料的擴(kuò)試生產(chǎn)，正式揭開其產(chǎn)業(yè)化的序幕，目前已在民用船舶、南海波浪能發(fā)電平臺、海洋牧場、海底探測器等裝備上應(yīng)用。與國際上最先進(jìn)的自拋光防污涂料相比，動(dòng)態(tài)表面防污材料的靜態(tài)防污效果和防污期效都更勝一籌。近日，該技術(shù)還應(yīng)用在全球首個(gè)商用海底數(shù)據(jù)中心，即將下水。

一路走來，讓馬春風(fēng)最為感慨的是，項(xiàng)目研究周期長、投入大、產(chǎn)出慢，如果沒有各方面持續(xù)地大力支持，難以成功。

“當(dāng)時(shí)研制出抗蛋白吸附防污材料后，我在實(shí)驗(yàn)室用了3個(gè)星期驗(yàn)證出一個(gè)很好的效果，特別興奮，感覺技術(shù)難題即將迎刃而解了。但在海洋實(shí)驗(yàn)兩個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果其實(shí)并不理想。那股沮喪勁，現(xiàn)在還記著。”馬春風(fēng)笑著回憶。

他特別提到新技術(shù)推廣中的困難。“現(xiàn)在市場上成熟的海洋防污技術(shù)基本掌握在國外企業(yè)手中，我們要從其手里‘搶’市場，關(guān)鍵必須先證明自己技術(shù)過硬。過硬的標(biāo)準(zhǔn)是什么?沒有標(biāo)準(zhǔn)，唯一的方法就是實(shí)海檢測。”馬春風(fēng)在推廣中多次遇到，只要一開口說這項(xiàng)技術(shù)很好，對方立刻回復(fù)，那就拿來測一測。

這一測，兩三年過去了。“因?yàn)楹Ｑ蠓牢鄄牧系男Ч仨毜胶Ｑ罄锶z驗(yàn)，檢測周期長，這對成本、人力都是極大的考驗(yàn)。”馬春風(fēng)呼吁，希望國家能有相關(guān)新產(chǎn)品推廣的政策支持，以讓更多國內(nèi)自研產(chǎn)品技術(shù)更快得到應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)表面防污技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化，離不開緊密的產(chǎn)學(xué)研合作。“華南理工大學(xué)有自己的產(chǎn)業(yè)化平臺，我們通過此平臺可以制作一些特定應(yīng)用領(lǐng)域的材料。此外，我們和下游涂料公司合作，共同推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。”馬春風(fēng)介紹。此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目就有3家材料企業(yè)參與。

海洋工程裝備是發(fā)展、利用和保護(hù)海洋的前提和基礎(chǔ)。馬春風(fēng)透露，未來，他們還將拓展動(dòng)態(tài)表面防污材料體系，構(gòu)筑不同類型的動(dòng)態(tài)表面，如研制可適應(yīng)環(huán)境變化的智能防污材料，并進(jìn)一步加快科研成果轉(zhuǎn)化的步伐，繼續(xù)服務(wù)于我國海洋強(qiáng)國建設(shè)。

(葉青)