本發(fā)明涉及抗生物附著領域，尤其涉及一種降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)。

背景技術：

生物附著一直是水域生產(chǎn)和活動中造成損失和不變的重大問題。生物附著是生物附著在船底、浮標和一切人工設施上的現(xiàn)象的總稱。附著生物是包括以固著生物為主體的復雜群落，其種類繁多，包括細菌、附著硅藻和許多大型的藻類以及自原生動物至脊椎動物的多種門類。

固相表面浸入海水后，十幾分鐘內就會富集上一層有機物，緊接著細菌和硅藻等微生物相繼在這層有機物上附著生長，形成一層由水、有機物、微生物及其胞外代謝產(chǎn)物組成的生物膜。生物膜的形成可進一步促使藤壺、貝類以及無脊椎動物等大型污損生物在固體表面附著生長，最終形成復雜的污損生態(tài)群落。水下作業(yè)設施表面生物污損層的形成，增加了水下作業(yè)系統(tǒng)的重量和運動摩擦力，從而增加了作業(yè)過程的能耗；同時，生物污損層的形成還加速了這些系統(tǒng)部件的腐蝕，嚴重影響其操作效率，給航運、海防、海洋開發(fā)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等海洋作業(yè)過程帶來重大安全隱患及經(jīng)濟損失，如全世界每年僅用在處理船舶生物污損一項的經(jīng)費就高達數(shù)十億美元。生物膜幾乎存在于所有的水下表面上，其形態(tài)和結構在很大程度上決定大型污損生物的附著，并影響整個生物污損層的形成。

涂覆防污涂料是常用的防止生物附著的最經(jīng)濟且有效的措施，涉及到無錫自拋光、可控溶解型、生物防污、化學仿生、納米緩釋、堿性防污、生物酶防污、低表面能、導電防污、結構仿生、熒光防污等諸多技術。在涂層中摻入殺蟲元素(含有毒性的物質進行防污，銅、砷、鎘、鉛、汞及錫等)也是經(jīng)常采用的方法。然而，這些有害物質的釋放給生態(tài)環(huán)境和人類健康造成了嚴重危害，例如三丁基錫(tbt)雖然可殺死附著在船體上的海藻等生物，卻會造成生物畸變，嚴重損害水域環(huán)境。

目前，無毒害環(huán)境友好的抗生物附著方法成為研究重點。無污染機械防止生物粘附的策略主要是將材料或涂層表面進行設計，創(chuàng)建一個超低污染表面實現(xiàn)降低生物粘附的目的。從仿生學角度設計納米級表面拓撲結構或者是防污涂層降解或摻雜抗粘附生物分泌物模擬表皮細胞脫落和動物抗粘附分泌物實現(xiàn)抵抗生物粘附的目的。其中，上述納米級表面拓撲結構以仿真鯊魚和海豚的皮膚表面結構為典型，防污涂層降解以利用熱治療或脈沖的電能量為典型。

但是，上述兩種方法具有成本較高，受水域溫度和船舶行駛速度等因素影響抗粘附效率不穩(wěn)定，并且僅針對特定幾種粘附生物，普適性差，另外還存在需能源負載等缺點。另外，仿生抗粘附這一領域的新探索所要面對的都是時效問題，如何盡可能長時間地讓這些對環(huán)境友好的新型涂料發(fā)揮作用也是一直存在的研究難題。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)，其不僅無毒害環(huán)境友好，并且成本低、抗粘附效率穩(wěn)定，普適性好，同時不需要能源負載。

(二)技術方案

本發(fā)明降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)包括：絕緣面100，形成于固相物件水下表面；兩電極(210和220)，固定或形成于絕緣面100上，該兩電極相互隔開并電性絕緣；絕緣生物附著層230，至少形成于兩電極上；以及電壓源400，其兩極通過導線分別電性連接至兩電極(210和220)；其中，電壓源400向兩電極(210和220)供電，該兩電極產(chǎn)生電場以阻止固相物件水下表面上微生物附著和/或生物膜形成。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)具有以下有益效果：

(1)無污染，無毒素釋放，滿足無毒害環(huán)境友好的要求；

(2)所用工藝簡單，原料易得，成本低；

(3)實驗證明，其抗附著時期長，效率穩(wěn)定；

(4)結合優(yōu)良的超疏水和微納米表面材料，可以對多種微生物產(chǎn)生作用，普適性好；

(5)收集水波動能換化為高壓交變電能提供能量，不需要設置額外的負載，減少了使用和維護成本。

附圖說明

圖1a為根據(jù)本發(fā)明實施例降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)的結構示意圖；

圖1b為圖1a所示系統(tǒng)中兩電極所在位置縱剖面的示意圖；

圖2為圖1a所示系統(tǒng)中納米發(fā)電機陣列的結構示意圖；

圖3為圖2所示納米發(fā)電機陣列中一納米發(fā)電機的電路示意圖；

圖4為圖3所示納米發(fā)電機縱剖面的示意圖；

圖5為圖4所示納米發(fā)電機工作機理的示意圖；

圖6為采用本實施例系統(tǒng)和未采用本實施例系統(tǒng)進行大腸桿菌附著的效果對比圖；

圖7為采用本實施例系統(tǒng)附著藻類硅藻的實驗對比效果。

【符號說明】

100-絕緣面；

210、220-電極；230-絕緣生物附著層；

300-承載層；

400-電壓源；

410、420、430、440-薄膜納米發(fā)電機

411-動摩擦部；

412-靜摩擦部；

412a-電極層；412b-靜摩擦層；

413-單向導通部件

413a-n區(qū)；413b-p區(qū)

414-單向導通部件

414a-p區(qū)；414b-n區(qū)

415、416-導線

具體實施方式

本發(fā)明利用摩擦納米發(fā)電機產(chǎn)生電場阻止生物粘附，較之以往的抗粘附方法具有無污染，無毒素釋放，無能源負載，制作簡便成本低等優(yōu)點，同時對多種附著微生物普遍適用且能夠實現(xiàn)大面積不間斷的抗附著保護。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)。圖1a為根據(jù)本發(fā)明實施例降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)的結構示意圖。圖1b為圖1a所示系統(tǒng)中兩電極所在位置縱剖面的示意圖。如圖1a和圖1b所示，本實施例降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)包括：絕緣面100，形成于水下欲降低生物附著的固相物件表面；兩電極(210和220)，形成于絕緣面上，該兩電極相互隔開并電性絕緣；絕緣生物附著層230，形成于兩電極(210和220)及未被兩電極覆蓋的絕緣面上；電壓源400，其兩極通過導線分別電性連接至兩電極。

其中，電壓源400向兩電極(210和220)供電，該兩電極產(chǎn)生電場，該電場會破壞絕緣面上微生物細胞的表面電荷分布，從而破壞附著微生物的附著活動和生物膜的形成。

以下分別對本實施例降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)的各個組成部分進行詳細描述。

本實施例中，絕緣面100作為兩電極所在表面，可以為高分子絕緣薄膜，例如ptfe(聚四氟乙烯)膜等；無機氧化物絕緣層，例如金屬氧化物陶瓷絕緣涂層，等低表面能材料。此外，本實施例中的絕緣面還可以與其他的降低固相物件水下表面生物附著的方法相結合，例如：

(1)利用超疏水涂層，如pdms和/或特氟龍，作為絕緣面；

(2)利用微納米表面，如仿鯊魚皮仿生涂層，作為絕緣面；

(3)利用可分解高分子材料涂層，如聚二甲基硅氧烷彈性體(pdmse)涂層，作為絕緣附著表面。

本領域技術人員應當理解，通過將本實施例與其他方法的結合，可以進一步提高降低固相物件水下表面生物附著的效果，并且可以對多種微生物產(chǎn)生作用，普適性好。

需要說明的是，本實施例中是在固相物件水下表面之外另外制作的一層絕緣材料而形成絕緣面，而如果固相物件水下表面本身為絕緣材料，則可將其外表面直接作為該絕緣面，而不需要再制作額外的絕緣面。

本實施例中，兩電極(210和220)均采用面狀金屬電極，其通過涂覆或沉積的方式形成于絕緣面上。兩電極之間的距離視欲降低生物附著表面的區(qū)域決定，同時需要考慮所需施加電場的大小。

需要說明的是，本實施例采用面狀金屬電極，但本發(fā)明并不以此為例。在本發(fā)明其他實施例中，兩電極還可以是花紋電極、條狀電極或者是部分圓環(huán)狀電極，并且該兩電極可以通過其他方式，例如螺接、粘貼或者捆綁等方式固定在絕緣面表面，只要能在兩電極之間產(chǎn)生所需電場，均可以實現(xiàn)本發(fā)明。

在兩電極(210和220)及未被兩電極覆蓋的絕緣面上，覆蓋有絕緣生物附著層230。該絕緣生物附著層230的材料為高分子絕緣薄膜或無機氧化物絕緣層。

本領域技術人員應當了解，在本發(fā)明其他實施例中，絕緣生物附著層并非要完全覆蓋電極及未被電極覆蓋的絕緣面，其只要形成于兩電極上，保證該兩電極與外界絕緣即可。

本發(fā)明中，電壓源400可以為持續(xù)施加脈沖電壓或是直流電壓，其可以是電池，也可以是其他電能收集轉化裝置，例如：太陽能電池、壓電發(fā)電電源、電磁式發(fā)電機和摩擦納米發(fā)電機等其他能源收集裝置。相應地，施加的電場可以是直流電場也可以是交變電場。

實驗證明，電壓源在兩電極施加的電壓范圍可以介于10v～5000v之間，施加電場越高防附著效果越佳，并且交變電場抗附著效果更好。

本實施例中，采用薄膜納米發(fā)電機陣列作為電壓源，其收集水波動能換化為高壓交變電壓(其峰值為340伏特)，并將其輸出至兩電極上。

本實施例中，該薄膜納米發(fā)電機陣列的主體部分制備(或形成于)于一承載層300上。該承載層300為柔性絕緣材料，且其背面具有粘性。該薄膜納米發(fā)電機陣列通過該承載層貼附在船體吃水線上下預設范圍的表面，從而與水平面呈一定角度。

本領域技術人員應當清楚，為了保證摩擦納米發(fā)電機能夠接收水波機械能，該承載層300不能與水平面平行設置，而是應當豎直設置或者是與水平面呈非0的角度。

本領域技術人員應當了解，該承載層還可以是非柔性的絕緣材料，并且其與船體還可以材料其他方式固定，例如：螺接、焊接等等。

圖2為圖1a所示系統(tǒng)中薄膜納米發(fā)電機陣列的結構示意圖。請參照圖2，薄膜納米發(fā)電機陣列包括并聯(lián)的若干個薄膜納米發(fā)電機(410、420、430、440等)。每一虛線框中代表一薄膜納米發(fā)電機。

可以理解的是，雖然本實施例中采用薄膜納米發(fā)電機并聯(lián)的方式形成薄膜納米發(fā)電機陣列，但本發(fā)明并不以此為限。本領域技術人員可以根據(jù)需要來選擇薄膜納米發(fā)電機的數(shù)量和排布方式，例如：并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)結合的方式。

圖3為圖2所示薄膜納米發(fā)電機陣列中一薄膜納米發(fā)電機的電路示意圖。請參照體2和圖3，薄膜納米發(fā)電機410包括：動摩擦部411、靜摩擦部412和兩單向導通部件(413和414)。其中，靜摩擦部412和兩單向導通部件(413和414)形成于承載層300上。動摩擦部411與靜摩擦部412相對設置，且兩者朝向內側的表面由位于摩擦電極序上不同位置的材料制備。靜摩擦部412連接在一個單向導通部件413的正端和另一個單向導通部件414的負端之間。

本實施例中，動摩擦部411為固體或高分子聚合物。其中的固體優(yōu)選為金屬。

動摩擦部411位于靜摩擦部412的外側，其在水波的推動作用下不斷與靜摩擦部412產(chǎn)生相對運動。此處的相對運動可為以下至少一者：所述動摩擦部411與靜摩擦部412在水平方向上相對滑動，且接觸面積改變；所述動摩擦部411與靜摩擦部412在垂直方向上相對運動，且垂直距離改變和/或不斷地接觸和分離。

需要說明的是，雖然本實施例中薄膜納米發(fā)電機同時包括動摩擦部和靜摩擦部，但在本發(fā)明其他實施例中，還可以僅包括靜摩擦部，在這種情況下，水波浪與該靜摩擦部直接接觸，兩者產(chǎn)生相對運動，從而形成感應電動勢，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明。

本實施例中，動摩擦部411在與靜摩擦部412相對運動過程中產(chǎn)生電荷，并形成對應的感應電勢，且所述感應電勢隨著運動情況變化。兩個單向導通部件(413和414)用于在連接外電路形成回路時，隨著所述感應電勢的變化，在回路中產(chǎn)生單向流動的直流電信號。在直流電信號的作用下，兩電極之間產(chǎn)生直流電場，可以破壞絕緣面上細胞的表面電荷分布，從而破壞附著微生物的附著活動。

動摩擦部411的材料為極性液體例如水等，固體例如金屬，高分子聚合物等。在用水作為動摩擦部的情況下，將節(jié)省額外制作動摩擦部的成本。并且，多個薄膜納米發(fā)電機的動摩擦部可以連為一體，也可以分立設置。

圖4為圖3所示薄膜納米發(fā)電機縱剖面的示意圖。請參照圖4，靜摩擦部412包括：電極層412a和靜摩擦層412b。其中，電極層412b形成于承載層上，連接在兩個單向導通部件(413和414)之間。靜摩擦層412b形成于電極層412a上。在與動摩擦部411相對運動過程中，靜摩擦層412b上產(chǎn)生摩擦電荷，且電極層412a上產(chǎn)生感應電荷。靜摩擦層412b可由高分子薄膜制成，優(yōu)選為容易帶負電荷的ptfe(polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)。

單向導通部件(413和414)的工作特性為：正向導通，反向關斷。其中，所述單向導通部件(413和414)包括二極管、pn結、肖特基結及mos管等中至少一者，但并不以此為限。并且，單向導通部件的數(shù)量并不僅限于兩個，可設置為n(n≥2)個，只要其中至少兩個的連接方向相反即可。

本實施例通過鍍膜工藝在電極層412a上制備pn結作為單向導通器件。如圖4所示，在電極層412a的左側，依次沉積有n區(qū)413a和p區(qū)413b，兩者構成pn結413，并且，外側的p區(qū)413b通過導線415連接至外電路。在電極層412a的左側，依次沉積有p區(qū)414a和n區(qū)414b，兩者構成pn結414，并且，外側的n區(qū)414b通過導線416連接至外電路。

其中，導線(415和416)可為導電布、導電膠或導電鍍層等，pn結與導電鍍層或電極層412a之間均有歐姆接觸層(實現(xiàn)半導體材料和金屬間的小電阻連接)，此處沒有畫出表示。這樣的設計可以將單向導通部件與發(fā)電單元集成在一起，互相共用電極層。

以下介紹該薄膜納米發(fā)電機的工作過程：

(1)如圖5中a部分所示，當動摩擦部411與靜摩擦層412b接觸時，動摩擦部411帶正電荷，靜摩擦層412b帶負電荷，此時電極層412a的表面沒有感生電勢，因此也沒有電勢加在pn結413的兩端(如圖5中b部分所示)。

(2)如圖5中c部分所示，當動摩擦部411遠離靜摩擦層412b時，此時電極層412a上的電勢較小，且電極層412a相對于外界為負電勢，假設電信號產(chǎn)生單元外面的電勢為零，因此左側的pn結413是正向偏置狀態(tài)，而右側pn結414是反向偏置狀態(tài)。因此左側pn結413的p區(qū)能帶下降，n區(qū)能帶上升，而右側pn結414的p區(qū)能帶上升，n區(qū)能帶下降，這就像一個“電子閘”，使得電極層412a上的電子可以流過左側的pn結413，而右側的pn結414起阻擋的作用，左側的pn結413是“開閘”，而右側的pn結414是“關閘”，“電子流”的驅動力來自于電極層412a上的感生電勢以及左側pn結413的p區(qū)422和右側pn結414的n區(qū)421的電勢差，電子從電極層412a通過左側的pn結413流出；當動摩擦部411逐步遠離靜摩擦層412b時，電極層412a逐步帶正電，電勢開始變大，最后達到平衡。而左側pn結413的“電子閘”由開放狀態(tài)變?yōu)殛P閉狀態(tài)；右側pn結414“電子閘”的陡峭度也降低(如圖5中d部分所示)。

(3)如圖5中e部分所示，當動摩擦部411逐漸靠近靜摩擦層412b時，電極層412a感應電勢增大，相對外界為正電勢，外界電勢假設為零電勢，因此左側pn結413反向偏置，而右側pn結414正向偏置，因此左側pn結413的p區(qū)能帶升高，n區(qū)能帶下降，右側pn結414的p區(qū)能帶下降，n區(qū)能帶上升，最后效果是：左側pn結413是升高的“電子閘”，而右側的pn結414處于“開閘”狀態(tài)(如圖5中f部分所示)，因此電子會從外界通過右側pn結414流進電極層412a，平衡電極層412a之前帶的正電荷，最后當動摩擦部411和靜摩擦層412b完全貼合在一起時，能帶達到平衡狀態(tài)，也就沒有電子的流入、流出，回到圖5中b部分所示。

這樣，多個薄膜納米發(fā)電機并聯(lián)在一起，構成薄膜納米發(fā)電機陣列。該薄膜納米發(fā)電機陣列具有正負兩個輸出電極，分別連接絕緣面上的兩電極，在絕緣附著面上形成交變電強。

本發(fā)明中，電壓源施加的電場可以是直流電場也可以是交變電場。因此，薄膜納米發(fā)電機中的單向導通器件也可以省略，在這種情況下，該薄膜納米發(fā)電機將會向外界提供交變電流。然而需要說明的是，由于在薄膜納米發(fā)電機陣列中是多個薄膜納米發(fā)電機并聯(lián)形成陣列，因此如果是省略單向導通器件的情況下，需要考慮該多個薄膜納米發(fā)電機輸出電流的相位問題。

本實施例中，由薄膜納米發(fā)電機陣列收集水波動能換化為高壓交變電能提供能量，不需要設置額外的負載，減少了使用和維護成本。

從以上介紹可以看出，本實施例中，薄膜納米發(fā)電機、電極和附著表面均可以選用常見的材料，具有工藝簡單、性能穩(wěn)定、能耗低，操作簡單，無污染環(huán)境友好，針對微生物范圍廣，抗附著時間長等優(yōu)點。

本實施例降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)在工作時，將薄膜摩擦納米發(fā)電機400的兩輸出端分別連接兩電極(210和220)，薄膜摩擦納米發(fā)電機400將不斷沖刷發(fā)電機的水波機械能轉化為交變電壓，該交變電壓施加在兩電極(210和220)上，在電極上方的絕緣生物附著層內外形成交變強電場，該交變強電場將會影響靠近附著表面的微生物表面電荷分布，進而擾亂微生物代謝實現(xiàn)微生物“厭惡”，達到阻止微生物附著及生物膜形成的目的。

圖6為采用本實施例系統(tǒng)和未采用本實施例系統(tǒng)進行大腸桿菌附著的效果對比圖。其中，左側的a、c、e圖為大視場圖，右側的b圖為a圖對應的小視場圖，d圖為c圖對應的小視場圖，f圖為e圖的小視場圖。a(b)圖、e(f)圖為施加強電場的附著表面，c(d)圖為未施加電場對比結果。通過對比可以看出，施加摩擦納米發(fā)電機交變電場的附著基底上的大腸桿菌數(shù)目顯著低于未施加電場保護的附著基底細菌數(shù)目，能夠有效阻止99％以上的大腸桿菌附著。

圖7為采用本實施例系統(tǒng)附著藻類硅藻的實驗對比效果。左側的a、c、e圖為未施加電場的絕緣面，右側的b、d、f為施加電場的絕緣面。其中a-d為純硅藻對比效果，e-f為硅藻和大腸桿菌混合附著效果。由圖4可以看出，經(jīng)過48小時和84小時的硅藻附著，施加交變電場的附著基底上的硅藻數(shù)量非常少，且隨著時間的增長與未保護的附著基底電極上的硅藻數(shù)目成倍增長率相比具有非常微小的增長。證實本方法對于藻類具有顯著地抗附著效果。同時，大腸桿菌和硅藻混附著環(huán)境下，本實施例系統(tǒng)同樣具有非常好的效果。從而證明了本實施例系統(tǒng)可以對多種微生物產(chǎn)生作用，普適性非常好。

此外，經(jīng)過大量實驗表明任何施加強度電場對與阻止微生物附著都會有效果。施加電場強度越大抗微生物附著效果越強，交變電場抗附著效果大幅度高于恒定電場。由于摩擦納米發(fā)電機特有的高電壓輸出，使得摩擦納米發(fā)電機在抗微生物附著方面具有明顯的優(yōu)勢。此外，本實施例系統(tǒng)抗微生物附著效率與附著面積有關，面積越小抗附著效果越好。

需要說明的是，除了船舶之外，在石油管道、養(yǎng)殖水箱、海底電纜等方面，本實施例系統(tǒng)均具有廣闊的應用前景，此處不再一一說明。

至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明降低固相物件水下表面生物附著的系統(tǒng)有了清楚的認識。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)電極的形狀可以為面狀、條狀或部分圓環(huán)狀；

(2)除了薄膜摩擦納米發(fā)電機還可以采用其他電壓源、例如太陽能電池、壓電發(fā)電電壓源為兩電極供電；

(3)本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應值；

(4)實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

綜上所述，本發(fā)明利用摩擦納米發(fā)電機高電勢強電場阻止微生物粘附方法，較之以往的抗粘附方法具有無能源負載，無污染，無毒素釋放，制作簡便成本低，具有對多種附著微生物普遍且能夠實現(xiàn)大面積不間斷抗附著保護，在船舶、石油管道、養(yǎng)殖水箱、海底電纜等方面具有廣闊的應用前景。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。