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鲨鱼皮仿生防污
船舶在海水中航行,不可避免要遭受生物污损问题,因此,在发展仿生减阻技术的同时必须兼顾其防污性能,有效防污也可以显著提高材料的减阻性能。
海洋生物附着及污损过程
众所周知,大型海洋动物鲨鱼是海洋中非常凶猛的一种生物,终日生活在海水中,但是其皮肤表面却不附着任何的海生物,并且其捕食时的行进速度非常快。
研究发现:其表皮具有特殊的结构,这种特殊结构能够阻止海生物的附着。因此,科学家正在通过仿生的方法,利用化学手段模拟这些表层结构制得涂料,并取得了一定进展。一旦这一技术取得成功,可以为突破目前船舶表面防污材料的瓶颈提供新的技术途径。
鲨鱼表皮结构及其防污机理
鲨鱼的盾鳞具有良好的防污能力，高速游动时的水流能够将附着不牢靠的污损生物冲走。通常情况下，大型附着生物是利用多个附着点依附在表面上,若鲨鱼盾鳞沟槽尺度合适,使得附着点难以深入到凹槽内，只能悬挂于凸起上，这种结构令污损生物的附着不稳定，容易去除。鲨鱼表皮的沟槽结构上还存在刺状突起或刚毛增加了鲨鱼表皮疏水特性，也能够有效阻止污损生物的附着。此外，鲨鱼表皮分泌的粘液可以使鲨鱼体表具有较低的表面能和亲水性,这对防止海洋生物的污损附着起着一定的作用。
实验证明非活体状态鲨鱼的表皮对大型污损生物的防污能力较弱，这是因为活体鲨鱼高速游动形成的水流冲刷作用、表皮微结构以及鲨鱼表皮分泌的粘液共同起着防止海洋污损生物附着的作用，而非活体状态鲨鱼仅仅只能依靠其表面微观结构来防污。
鲨鱼皮盾鳞结构示意图
皱唇鲨鳞片的扫描电镜图(×)
鲨鱼表皮并不是非常光滑的,恰恰相反,其矩形鳞片上附有刺状突起和刚毛,它们有着特殊的排列方式,这种表皮被称为微沟槽(riblets)结构,沟槽顺游动的方向排列也称之为肋条,这种结构会改变鲨鱼游动时皮肤附近的紊流边界层(turbulentboundarylayer)中原有的结构与速度分布,因而减小摩擦阻力.
鲨鱼、海豚等海洋生物不会被其他生物附着污损。除了与它们皮肤的特殊微结构有关，海洋动物的表皮还会分泌特殊粘液，在皮肤表面形成一层薄薄的粘液层，正是微结构与粘液的协同作用，才使其具有优异的防附着能力。水凝胶是一种柔软、具有弹性、对环境友好的材料,它与海洋动物表皮分泌的粘液非常相似，实验证明，改性后水凝胶还能具有抗菌、抗蛋白吸附和药物装载释放的功能,故水凝胶非常适合用于研究和制备仿生防污材料。
鲨鱼皮仿生防污的进展
根据鲨鱼表皮的特殊结构及其防污机理,目前对于其在海洋仿生物污损方面的研究主要集中在两个方面,即表皮物理结构的模拟和低表面能涂层的研制。
鲨鱼皮物理结构的模仿
美国佛罗里达大学的材料科学教授布伦南领导一个研究小组,根据鲨鱼防护海底生物附着的原理,研制一种对环境无害的舰艇防护涂层。结合使用塑料和橡胶材料,复制一种鲨鱼皮,作为防护涂层,它由数十亿个细小的菱形凸起物组成,每个小菱形凸起物里面还有凸起的“肋骨”。
在小功率电流作用下,金刚石状图案会发生变化。随着电流变化,表面上的棱可以鼓起或缩回,在船体表面曲来拐去,这一现象是有用的,隆起的运动使积攒的泥沙及船体上的腐质除去,这些泥沙、腐质的聚集往往带来水藻、贝类的繁殖。
根据鲨鱼皮结构发明的舰艇防护涂层
美国宇航局根据鲨鱼皮上覆有很小的V字形小凸点的启示,采用顺溜走向的肋条构造,让脊形沟槽垂直于表面,将其应用在飞行器和船舶表面以减少阻力。这种肋条减阻原理成功地应用在了美国“星条旗”帆船比赛上。
德国柏林大学应用科学系的AntoniaKesel和RalphLiedert发明了一种仿鲨鱼皮,模仿天然鲨鱼皮结构防止生物污损。Liedert用硅胶做了个鲨皮盾甲鳞结构,希望这个结构就是鲨鱼防污损的防御系统。
深圳市百安百科技有限公司已经成功研制出鲨刻烃仿生膜,把“鲨刻烃”这种仿鲨鱼鳞片的膜应用在船体表面能减少67%海藻、藤葫、贝类的附着量。当船行速达4～5海里时,其可帮助船舶“自洁”,把所有附着的海生物抛掉。
水凝胶防污材料
基于与海洋动物表皮所分泌粘液的相似性及成本考虑,现有的水凝胶仿生防污材料研究主要以聚乙二醇（PEG)、聚乙烯醇（PVA)、聚丙烯酸（PAAc)、聚丙烯酰胺(PAM)、及聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的聚合物和聚丙烯酸的酯类化合物，有机硅化合物等为主。
而水凝胶仿生防污材料的制备主要分为两大类。一是使用化学锚定的方法或互穿网络，直接使凝胶溶液在基材表面引发、聚合，在表面形成一层水凝胶;二是将凝胶聚合物当作添加剂，与涂料配合使用，一同涂覆于基材表面,通过凝胶聚合物的渗出、吸水溶胀后形成水凝胶。
未来发展方向与展望。
随着世界对海洋环境的日益重视,危害生态环境的防污方式终将被淘汰。表面仿生防污减阻作为一种环境友好型防污减阻技术表现了良好的应用前景,受到人们越来越多的
