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黃明欣團(tuán)隊(duì)采用粉末冶金的生產(chǎn)工藝，將不銹鋼中銅的含量提升至20%，獲得了具有抗新冠病毒特性的不銹鋼。這樣制得的高含銅量不銹鋼，不僅能避免“銅脆”現(xiàn)象，而且其富銅沉淀物能均勻分布在整個(gè)金屬制品中，即使制品表面磨損也不會(huì)影響其抗病毒效果。
新冠肺炎疫情暴發(fā)以來(lái)，“物傳人”成為新冠病毒傳播的重要途徑之一。曾有研究顯示，新冠病毒能在普通不銹鋼材料表面存活3天之久。因此，研發(fā)出能夠殺滅新冠病毒的不銹鋼材料，成為業(yè)界和學(xué)界的一大目標(biāo)。
近期，香港大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程系黃明欣教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與香港大學(xué)（李嘉誠(chéng)醫(yī)學(xué)院）免疫與感染研究中心潘烈文教授的研究團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)調(diào)整不銹鋼的化學(xué)成分和微觀組織結(jié)構(gòu)，成功令不銹鋼能殺滅表面附著的新冠病毒和其他常見(jiàn)病原體微生物。
新型不銹鋼含銅20% 顯示出強(qiáng)大的抗新冠病毒特性
自20世紀(jì)初被發(fā)明后，憑借著在硬度、耐腐蝕性、可加工性等方面的優(yōu)異性能，從公共場(chǎng)所的基礎(chǔ)設(shè)施，到家庭生活的日常裝潢，不銹鋼成為公眾最常接觸的材料之一。
但隨著新冠肺炎疫情席卷全球，不銹鋼這個(gè)公共場(chǎng)所隨處可見(jiàn)的基礎(chǔ)材料，已成為新冠病毒擴(kuò)散傳播的載體——攜帶病毒的飛沫和呼吸道分泌物會(huì)附著在不銹鋼材料上，使其成為潛在的病毒傳播媒介。
例如，此前中國(guó)疾病預(yù)防控制中心曾對(duì)一起新冠病毒感染案例進(jìn)行分析，認(rèn)為同一單元樓內(nèi)的住戶(hù)極有可能因共用一部電梯，共同觸摸不銹鋼材質(zhì)的電梯按鍵而造成病毒在住戶(hù)中擴(kuò)散。
在具體研究中，為了更好地比較不同不銹鋼材料之間的抗菌抗病毒性能，黃明欣團(tuán)隊(duì)制備了多份樣品，分別是常規(guī)的316不銹鋼、含銀0.3%和0.6%的不銹鋼、4種含銅1%—20%不等的不銹鋼以及純銀和純銅。并且為了凸顯其實(shí)用價(jià)值，他們還專(zhuān)門(mén)將其制備成了電梯按鈕樣式，以模擬在最常見(jiàn)的使用環(huán)境下，不同種類(lèi)不銹鋼的抗新冠病毒性能。
最終，研究結(jié)果顯示，常規(guī)316不銹鋼、純銀和含銀不銹鋼對(duì)新冠病毒和甲型H1N1流感病毒沒(méi)有明顯的抑制作用。而相比之下，純銅和含銅不銹鋼則表現(xiàn)出了十分顯著的抗病毒特性。尤其是含銅量20%的不銹鋼，其可以在3小時(shí)和6小時(shí)內(nèi)分別顯著減少其表面99.75%和99.99%的活體新冠病毒，顯示出了強(qiáng)大的抗新冠病毒特性。
黃明欣表示，由于高含銅量不銹鋼的制備采用的是粉末冶金的方式，這使得其可以不受材料表面磨損的影響，能在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)擁有抗新冠病毒特性。
從抗菌到抗病毒 把握不銹鋼中的銅含量很重要
其實(shí)早在這種抗新冠病毒不銹鋼研發(fā)之前，能夠抗菌的不銹鋼就已十分普遍，并早早開(kāi)始了工業(yè)化生產(chǎn)，而其中也是添加了銅和銀。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員楊珂指出，銅和銀已是業(yè)界公認(rèn)的優(yōu)秀抗菌材料，對(duì)包括大腸桿菌等在內(nèi)的常見(jiàn)致病菌有著出色的抵抗能力。比如含銅量?jī)H5%的抗菌不銹鋼，便具有99%的抗菌率。因?yàn)槊芗母汇~沉淀物會(huì)永久留存在不銹鋼基質(zhì)中，產(chǎn)生持久的抗菌效果。而銀的抗菌能力則更強(qiáng)，只要在不銹鋼基質(zhì)中添加0.3%的銀，便可產(chǎn)生強(qiáng)大的抗菌效果。但抗菌不銹鋼要想達(dá)到抗新冠病毒的效果，還需增加其中的銅含量。
不銹鋼作為一種鐵基合金，以鐵為基本，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)加入鎳、鉻等元素以增強(qiáng)其性能。如果一味加入大量的銅，會(huì)使其基礎(chǔ)性能發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其不再具備不銹鋼的特性，無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。楊珂表示，生產(chǎn)抗病毒不銹鋼，其最大挑戰(zhàn)在于如何在加入足量的抗病毒元素的同時(shí)，又不改變不銹鋼的核心性能。
銅雖然是不銹鋼的核心元素之一，但加入過(guò)量也會(huì)嚴(yán)重影響不銹鋼的核心性能。楊珂向記者介紹道，鋼鐵的熱加工鍛造過(guò)程，需要在1200℃左右的高溫下進(jìn)行，而銅本身的熔點(diǎn)大約為1080℃。銅加入過(guò)多會(huì)導(dǎo)致鋼材在熱加工時(shí)的鍛造性變差，出現(xiàn)通常意義上的“銅脆”現(xiàn)象。
為了避免“銅脆”現(xiàn)象，同時(shí)又保證加入含量足夠抗病毒效果的銅，有研究人員改用物理氣相沉積、冷噴涂、離子注入等方法，為不銹鋼涂上一層抗病毒涂層。但這些方法生產(chǎn)的涂層，厚度小于1毫米，很容易被磨損導(dǎo)致其抗病毒性能大幅下降，因此這類(lèi)不銹鋼材料無(wú)法取得長(zhǎng)期的抗病毒效果，不具備大規(guī)模應(yīng)用的價(jià)值。
而黃明欣團(tuán)隊(duì)此次采用了粉末冶金工藝，將不銹鋼中銅的含量提升至20%，獲得了具有抗新冠病毒特性的不銹鋼。楊珂表示，粉末冶金方法是將金屬粉末采用模具進(jìn)行高壓壓制，隨后再以較高的溫度燒結(jié)定型。采用這種方法制造的高含銅量不銹鋼，不光不會(huì)出現(xiàn)“銅脆”現(xiàn)象，而且其富銅沉淀物也不只分布在表面，而是均勻分布在整個(gè)金屬制品中，因此即使制品表面磨損也并不影響其抗病毒效果。
市場(chǎng)空間仍待挖掘 擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)從兩方面發(fā)力
楊珂介紹，雖然實(shí)驗(yàn)效果顯著，但抗病毒不銹鋼要形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，仍有很長(zhǎng)的路要走。即使是目前工業(yè)生產(chǎn)已十分成熟的抗菌不銹鋼，其仍有較大的市場(chǎng)空間等待挖掘。
“與我們合作的一家企業(yè)，2020年就生產(chǎn)和銷(xiāo)售了5000噸抗菌不銹鋼。”楊珂說(shuō)，目前抗菌不銹鋼工業(yè)已具有較大規(guī)模，且形成了相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2020年底，工信部已正式發(fā)布“含銅抗菌不銹鋼”行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 4171-2020，涵蓋含銅系列抗菌不銹鋼的訂貨內(nèi)容、技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等方面。但目前抗菌不銹鋼仍主要應(yīng)用于生產(chǎn)餐飲領(lǐng)域的餐具、廚具，如抗菌不銹鋼筷子、菜刀等，且消費(fèi)市場(chǎng)主要集中在江蘇、浙江、廣東，應(yīng)用規(guī)模仍較小，使用場(chǎng)景較為單一。
楊珂還指出，生產(chǎn)抗病毒不銹鋼所用的粉末冶金方法，工藝復(fù)雜、成本較高，無(wú)法成為主流的生產(chǎn)方式，并且過(guò)多銅元素的加入也會(huì)使得不銹鋼的耐腐蝕性下降，使其無(wú)法用于生產(chǎn)高端產(chǎn)品，一定程度上限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。
楊珂認(rèn)為，該研究成果雖然距離大規(guī)模應(yīng)用仍需時(shí)日，但其打開(kāi)了一扇新的窗口，使銅在不銹鋼材料中的作用被更大程度顯現(xiàn)了出來(lái)，并給予了不銹鋼材料新的可能。“我們國(guó)家的抗菌不銹鋼生產(chǎn)技術(shù)在世界范圍內(nèi)是領(lǐng)先的，抗菌不銹鋼未來(lái)還可以有更大的用途，其中在醫(yī)療器械抗感染方面的應(yīng)用最被看好。”
目前，楊珂等人也在與深圳地鐵進(jìn)行合作，開(kāi)發(fā)抗菌不銹鋼制成的把手、欄桿等。他認(rèn)為，未來(lái)要想實(shí)現(xiàn)抗菌、抗病毒不銹鋼的規(guī)模化應(yīng)用，還應(yīng)在兩方面發(fā)力。一是在應(yīng)用端找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，比如可以在醫(yī)院中用抗菌不銹鋼建設(shè)樣板房，起到示范效果。另一方面則是要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究。目前，銅離子抗菌抗病毒的作用機(jī)制仍然沒(méi)有摸清，各種理論自成一派，沒(méi)有統(tǒng)一的、具有廣泛說(shuō)服力的作用機(jī)制，一定程度上制約了抗菌、抗病毒不銹鋼的發(fā)展。
來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
