综述：采用环保理念设计的、含有润滑剂的滑爽表面，可用于减轻多种环境中的生物腐蚀和生物污垢问题

《Corrosion Communications》：Eco-friendly inspired slippery lubricant-infused surfaces for mitigating biocorrosion and biofouling in diverse environments

　　**Ini-Ibehe Nabuk Etim | Ruiyong Zhang | Sikandar Khan | Xiao Wang | Jizhou Duan | Baorong Hou**

**中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室，先进海洋材料国家重点实验室，中国青岛266071**

**摘要**
关于多种环境中生物腐蚀和生物污损的研究受到了广泛关注。目前常用的应对技术通常成本高昂、具有毒性，并对生态系统造成损害。在这篇综述中，我们讨论了一种环保的、含有润滑剂的多孔表面（SLIPS）技术，该技术能够有效减缓各种材料在多种环境中的快速生物腐蚀和生物污损。这种技术有助于抑制附着在材料上的微生物的生长，尤其是在深海等恶劣环境中。据报道，生物污损每年给航运业造成约300亿美元的损失，并使燃料消耗增加高达10%。此外，生物腐蚀还会导致材料损坏，每年由此产生的维护和修复费用超过1亿美元。本文介绍了SLIPS中使用的关键环保材料，以增强其抵抗生物腐蚀和生物污损的能力，并概述了将最新技术应用于SLIPS生产的过程。该综述还揭示了可用于工业应用的新类型和关键机制。需要强调的是，环保SLIPS在生物腐蚀和生物污损领域的应用仍是一个新兴领域。

**1. 引言**
生物腐蚀（也称为微生物影响腐蚀，MIC）是指由微生物及其他相关生物体引起的材料劣化现象[[1], [2], [3]]。与此过程密切相关的微生物主要包括真菌、细菌和藻类[4,5]。这些微生物通过分泌酸、代谢产物和生物膜来加速金属腐蚀[6,7]。MIC已成为深海、石油和天然气、核能、化工、农业以及发电等多个行业材料损坏的隐形杀手[[7], [8], [9]]。微生物会腐蚀基材表面，导致材料损失并带来安全隐患。大约115年前人们发现，微生物形成的生物膜与生物腐蚀密切相关[10]。在美国，由于材料损坏导致的生物腐蚀每年在维护和修复方面的费用超过1亿美元[11]。除了材料本身的劣化外，微生物的存在还会引起材料表面的生物污损[[12], [13], [14]]。据估计，这一持续存在的全球性问题每年给航运业造成约300亿美元的损失，并使燃料消耗增加10%[15,16]。为了减少这些经济损失和相关的维护成本，已经开发出多种技术[[17], [18], [19], [20]]以及针对生物污损的技术[[21], [22], [23]]。常见的技术包括聚合物涂层[24,25]、阴极保护、材料选择、生物膜控制、抑制剂以及环保涂层[[26], [27], [28]]。这些技术已在多种应用中得到广泛应用。然而，它们也存在一些挑战，如成本高昂、毒性、随时间推移效果减弱、生物降解性较低、生物累积以及腐蚀问题[[29], [30], [31]]。为了限制这些问题，许多工业领域都采用了这些材料。一些可用的环保材料包括壳聚糖复合材料[32]、细菌纤维素膜[33]、沸石咪唑框架[34]、纳米花状材料[35]、石墨烯异质结构[36]、生物炭胶体复合材料[37]、单链DNA（ssDNA）[38]和导电膜[39]。尽管这些材料可以应用于多种技术中，但将它们与含有润滑剂的多孔表面（SLIPS）技术结合使用已被证明可以减少材料失效。由于其成本效益、生物相容性和环保性，这些材料在SLIPS技术中表现出显著优势[40]。环保SLIPS有效应用的关键机制包括：主要排斥层、优异的排斥性能、以及所使用材料的稳定性和耐久性[41,42]。菜籽油赋予了材料滑动特性，使得可以使用环保植物油制备SLIPS[43]。在30至1800秒的暴露时间内，液体吸收量介于172至233克/平方米之间。白色念珠菌（Candida albicans）、大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）在SLIPS涂层表面上形成了生物膜。值得注意的是，SLIPS涂层材料表现出良好的血液相容性，溶血率仅为约1%，与未涂层基材的约0.9%相似[44]。这些独特的机制特征使得环保SLIPS优于传统材料。George等人的研究[45]报道了多种多功能涂层在减少不同环境中金属腐蚀方面的效果，表明环保涂层是制造适用于恶劣环境的性能材料的有效替代方案[45]。Ma等人的研究[46]揭示了受猪笼草启发的表面的抗腐蚀性能，如自修复、超疏水性以及类似SLIPS的特性[46]。SLIPS的独特性质使其在工业应用中具有重要意义。它模仿了猪笼草的滑腻特性，防止水滴在材料表面沉积[47]。值得注意的是，SLIPS的创新设计使其能够在多种环境中有效发挥作用[[48], [49], [50]]。基于猪笼草的模型，表面的粗糙结构通过用一层润滑液替代被困空气，形成了光滑的固液复合润滑层[51,52]。润滑层通过范德华力和毛细力密封在粗糙材料的缝隙中，从而在外部液体和固体基材之间形成光滑均匀的表面[53]。润滑层的存在可以降低摩擦阻力，相对于基材而言，摩擦阻力可减少约22.63%[54]。据报道，SLIPS能够创建超疏水材料表面[55]。模仿猪笼草机制的环保材料可以减少微生物对海洋工业及其他领域所用材料的附着。这些材料具有适合SLIPS技术的低表面能（LSE）特性[56]。涂层中的一些LSE化学物质包括长链烷基氯硅烷和长链烷基硅氧烷。一些环保SLIPS包含纳米和微米级结构，形成粗糙的表面纹理，从而限制了撞击液体与表面之间的接触[57]。在润滑剂注入过程中，润滑剂会形成一层稳定的薄膜，使液滴能够从材料表面滚落或滑动。在此过程中，需要防止液体混合[58]。在液体排斥性方面，由于润滑剂与排斥液体之间的界面粘附力较低，因此润滑剂能够有效抵抗外部液体[59]。此外，使用纳米壁封闭结构的润滑剂进行生物腐蚀评估时，有效减少了微生物的繁殖[60]。研究表明，创建光滑表面的一个关键策略是将油注入多孔疏水基材中。实验表明，在含有硫酸盐还原菌（SRB）的介质中，腐蚀电流密度从2.52×10^-10 A/cm2降低到1.06×10^-8 A/cm2[60]。

**2. SLIPS中使用的环保材料类型**
SLIPS技术中使用的环保材料对其应用范围（如深海、医疗等领域）至关重要。图1展示了一些材料结构，包括沸石咪唑框架[34]、纳米花状材料[35]、石墨烯/多巴胺异质结构[36]、生物炭胶体复合材料[37]、壳聚糖复合材料[32]和细菌纤维素膜[33]。本节重点介绍了这些关键环保材料、它们的来源、作为抗腐蚀剂的效能以及在SLIPS技术中的应用（表1）。

**表1. 环保材料及其在不同环境中的应用**
| 材料 | 实验条件 | 腐蚀结果 | 接触角 | 滑动角 | 抗微生物/抗污染效果 | 作为抗腐蚀剂的效能 | 应用领域 | 参考文献 |
|-----------------|-------------------------------------------|----------------------------------|------------------|----------------------------------|------------------|-------------------------|----------------------------------------|
| 沸石咪唑框架（ZIFs） | (a) -20°C下的防冰测试 | SLIPS的Icorr为3.95×10^-9 A/cm2 | 107.8° ± 2° | < 5° | 增强的抗污染和防冰性能 | 航空航天和海洋用途的Mg合金涂层 | [61] |
| 纳米/微米花状材料 | (a) 管道钢材上的纳米片 | (b) 3.5 wt% NaCl溶液和海水 | NaCl溶液和海水的Icorr分别为2.31×10^-7 A/cm2和8.16×10^-7 A/cm2 | ～118° | 良好的防污性能 | 管道金属涂层（石油/天然气行业） | [62] |
| 石墨烯 | 基于碳的材料 | 使用杜邦全氟聚醚润滑油等成分 | 1.23×10^-10 A/cm2 | < 110.8° ± 2.71° | 1.55° ± 0.2° | 有效的防污剂 | 海洋工程应用 | [63] |
| 纤维素纳米晶体 | 使用正己烷和H2O进行拉伸测试，温度20–23°C，空气湿度25%–38% | 未应用 | <120° | 未应用 | 由于层次增强而提高杨氏模量 | 软体机器人和生物医学植入物 | [64] |
| 海泡石 | 一种粘土矿物 | 海泡石溶解在乙酸乙酯中 | 1.905×10^-8 A/cm2 | ～100° | 改善的防污性能 | 航空航天和海洋应用 | [65] |
| 胶壳虫皮肤材料 | 在100°C下固化8小时 | Icorr为2.14×10^-10 A/cm2 | 48.54° ± 1.77° | 7.06° ± 0.06° | 抗高粘度液体 | 减少阻力的海洋组件和防冰应用 | [66] |
| 壳聚糖 | 甲壳类动物 | 壳聚糖溶液 | 未应用 | ～110° | 改善的防污性能 | 工业应用 | [67] |
| 氟化硅酸盐和聚丙烯酸酯 | 自制胶体 | 在光滑表面上制备 | 高效的抗腐蚀性能 | ～120° | <25° | 抗磨损和剪切 | 电子和工业涂层 | [68] |

**3. 不同环保材料在SLIPS中的集成与机制**
环保材料在SLIPS技术中的集成及其作用机制非常重要。这些机制通常与材料的性质、环境以及所采用的材料类型有关。其主要原理是将结构化或多孔基材与润滑液结合，模仿猪笼草的机制[69,70]。值得注意的是，由于环保材料具有较大的表面积、可规模化生产、在恶劣环境中的稳定性以及内在的微孔特性，它们在工业应用中能够发挥重要作用。以下讨论了一些环保材料在SLIPS中的集成过程和机制。

**3.1. 沸石咪唑框架（ZIFs）的集成与机制**
沸石咪唑框架（ZIFs）属于金属有机框架（MOFs）的一种，与沸石类似[71,72]。目前关于ZIFs作为SLIPS组分的研究还较为有限。Li等人的研究[61]展示了将ZIFs与其他材料结合制备SLIPS的方法，如图2所示。ZIFs与氧化石墨烯（GO）、海泡石（Sep）和溴化十六烷基三甲基铵（CTAB）结合使用。经过高温碳化后，形成了由Sep/GO/ZIF-8（SGZC）组成的多孔化合物，随后通过将十六烷基三甲氧基硅烷改性的SGZC化合物喷涂在Mg合金上，成功制备出了具有优异机械性能的超疏水材料。最后，通过将硅油注入这种多孔超疏水材料中，获得了具有抗腐蚀、防冰和抗污染特性的SLIPS[61]。该研究还表明，SLIPS的抗污染性能得益于动态液膜的湿润作用，有效防止了不同微生物在涂层表面的附着[61]。

**参考文献**
[此处列出所有参考文献]SLIPS的防腐效率（η）达到了99.99%，而SHS的防腐效率为97.0%。SLIPS能够有效排斥具有不同表面张力的污染物，包括罗丹明B染色水（67.45 mN/m）、牛奶（47.40 mN/m）、浑水（65.12 mN/m）、墨水（28.00 mN/m）和正己烷（18.46 mN/m）。浸泡后表面没有残留物，表明其具有很强的抗污染性能。值得注意的是，由于ZIFs在SLIPS技术中的集成，由于具有出色的表面积、可扩展的制造工艺、在恶劣环境中的稳定性以及内在的微孔特性，这种技术在工业规模上也是有效的。图3展示了通过注入不同孔径的MOFs（ZIFs和UiOs）来实现SLIPS形成的三重机制。根据图3(a)，使用纳米级孔径的不同MOFs可以在表面和油润滑剂之间产生更大的毛细力，并通过功能化改变MOF材料的化学性质，从而实现润滑剂与MOF之间的强相互作用。图3(b)展示了通过喷涂和逐层法将润滑剂注入MOF材料的过程。后者由于基底内的共价键合而产生了更好的机械性能。图3(c)和(d)显示了材料的SEM形态图。图3(c)中的图像比图3(d)更粗糙，这是因为逐层法的效率更高。图3(e)展示了结合了硅胶和MOF连接剂的相互作用表面。根据图3(e)，当NH2基团被注入MOF连接剂时，在润滑剂中甲基和连接剂的苯环之间形成了等值面。图3(f)展示了涂覆在材料表面的MOF连接剂和硅胶。结果表明，MOF能够渗透到孔隙中，而硅胶颗粒则不能。

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图3. SLIPS与MOFs孔隙的紧密结合。(a) 说明连接MOF尺寸、表面化学相互作用和润滑剂的核心概念。(b) 使用喷涂和逐层技术在基底上构建SLIPS的示意图。(c) 甲基官能化纳米颗粒和润滑剂注入的SEM形态。(d) 涂有甲基官能化材料并集成Fomblin的铝表面的SEM形态。(e) 硅链和氨基修饰的连接剂。(f) 黄色润滑剂链在八面体UiO-66孔隙中的插入和保留（插入的三角形孔隙是为了清晰起见)。经Singh等人[73]许可转载，版权2024年，Wiley-VCH GmbH出版。

3.2. 细菌纤维素膜（BCMs）的集成与机制
BCMs是一种新兴的可持续复合材料，适用于环境和工业应用。BCMs具有一系列独特的特性，使其成为有用的材料。它是一种纳米纤维和超细材料，具有独特的结构[74]。然而，由于其较低的污染物选择性、易污染以及对压缩的抵抗力较低，它们作为独立的水过滤膜的应用受到限制[75]。BCMs的应用机制是在金属表面形成一层保护膜，从而限制腐蚀过程，如图4所示。

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图4. 腐蚀机制表明UEA/MCNFI纤维素涂层的保护特性。经参考文献[76]许可转载，版权2024年，英国皇家化学会。

根据Verma等人[76]的研究，图4展示了纤维素纳米纤维（CNFs）在电解质中的腐蚀机制。CNFs通过接枝改变得以分散在聚合物基质中。CNFs的减小尺寸和较大的表面积使这些材料成为出色的纳米填料，通过吸收更多的成分来增加尿囊素环氧丙烯酸酯（UEA）和改性纤维素纳米纤维光引发剂（MCNFI）涂层的密度。随后，增强的纳米纤维素材料通过作为中间体连接UEA材料，从而增加了涂层的交联密度。这进一步减小了微孔，通过延迟电化学过程延长了腐蚀溶液的路径。此外，自由电子将其电荷贡献给了铁的轨道。值得注意的是，涂层可以通过化学吸附与金属紧密结合。涂层的羟基分子与基底形成H2键，从而增强了附着力。涂层对基底的显著附着力有效减缓了腐蚀。最后，当金属表面附近的O2水平升高时，由于O2的扩散，开始发生氧化过程。Fe与OH?结合形成Fe(OH)3沉淀物。这些沉淀物在基底表面形成一层厚厚的保护层。为了减轻严重的腐蚀，金属表面被钝化[76]。

正如Abdollahi等人[77]所报道的，注入润滑剂的BCMs表现出滑动特性，滑动角分别为约17.9° ± 1.7°和9.4° ± 2.2°。这意味着BCMs可以集成到SLIPS中，提供强大的保护，增强自愈性和耐久性，并表现出抗污染特性，如图5所示[77]。将纤维素膜集成到SLIPS中有效地减少了微生物对材料的附着。这种集成还有助于开发灵活且超疏水的润滑剂注入纤维素膜[77]。如图5所示，使用Gluconacetobacter hansenii细菌在Hestrin–Schramm培养基中培养，合成了适当密度的细菌纤维素膜（BNC）薄膜。为了保护其高度机械化和多孔的结构特性，细菌纤维素膜使用液氮冷冻干燥处理，如图5(a)所示。众所周知，细菌纤维素膜表面没有明显的抗菌或抗凝血特性，但天然具有亲水性[78]。

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图5. 细菌纤维素材料集成到润滑剂注入多孔介质中的机制。(a) 通过纯化和冷冻干燥阶段将细菌纳米纤维素培养物放置在称为Hestrin–Schramm的培养基中。(b) 使用TPFS通过化学气相沉积对样品进行功能化，并涂覆PFPP润滑剂。经参考文献[77]许可转载，版权2023年，美国化学会。

为了开发具有抗污染特性的细菌纤维素膜，通过化学气相沉积三氯(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷（TPFS）并将材料与全氟苯并菲（PFPP）润滑剂结合来形成膜-生物界面材料（图5(b)）。这创造了一种半流动的超低摩擦膜，能够抵抗污染流体。BNC的滑动特性表现出显著更高的接触角，范围从96° ± 4°到130° ± 2°，对于不同的介质而言。观察到的生物膜形成和细菌附着减少，其值分别为(P < 0.0001和<0.01)，表明细菌的抗性增强，而超疏水润滑剂注入涂层限制了细菌的附着和移动。

3.3. 凝胶复合膜的集成与机制
通过采用植物中的分层结构，制备了壳聚糖复合材料，并对其进行加工以增强其应用[[79], [80], [81]]。这些复合材料继承了壳聚糖的天然多糖特性，具有低毒性、可生物降解性和生物相容性[82]。用于制备壳聚糖的一些天然材料包括虾、甲壳类动物、贝壳、珍珠等[83,84]。壳聚糖可以通过逐层组装技术集成到润滑剂注入的多孔介质中[85]。该技术涉及壳聚糖与氢键结合、海藻酸盐和聚乙烯吡咯烷酮（PVPON）之间的电荷相互作用，如图6所示。随后，通过提高pH值去除交联的壳聚糖、PVPON和海藻酸盐，以创建孔隙性，并将可渗透的底层疏水化并用生物相容性的杏仁油包裹[86]。Jang等人的研究[67]表明，用于减轻生物膜的混合滑动复合材料是一种可持续且有效的方法[67]。重要的是要理解，壳聚糖材料通过在材料表面形成保护膜来提供抗腐蚀性。例如，Mohammadsadegh等人[87]对不锈钢上沉积壳聚糖和其他纳米复合涂层的研究显示，记录的耐腐蚀性从1.22×10^5增加到7.17×10^5 Ω cm^2。另一项研究表明，当壳聚糖-水杨酸盐配方用于抵抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌时，腐蚀率从0.0025 ± 0.0003降低到0.0007 ± 0.0004 mA cm^-2[88]。

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图6. 细菌纤维素材料集成到润滑剂注入多孔介质中的机制。(a) 细菌纳米纤维素的放置。经参考文献[86]许可转载，版权2015年，美国化学会。

图7展示了结合壳聚糖和SLIPS控制生物膜生长的机制[67]。基于图7，创建了一种抗生物膜的滑动复合材料和高效的壳聚糖。这种混合材料有效地结合了生态友好的、无毒的元素，如壳聚糖、硅油注入的中孔二氧化硅纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷。利用壳聚糖的杀菌特性和基于硅的层的抗污染能力，这种混合复合材料对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌都表现出强烈的抗污染效果。此外，使用中孔二氧化硅纳米颗粒增强了自我补充性能和吸油能力，即使在高剪切流和长时间孵育等极端条件下也能防止生物膜的形成。这种方法为开发具有长期性能和较低环境影响的有效抗生物膜材料提供了潜力。

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图7. 壳聚糖复合材料集成到SLIPS中以有效控制生物膜的机制。经参考文献[67]许可转载，版权2024年，美国化学会。

3.4. 聚乙烯醇（PVA）材料的集成与机制
PVA在SLIPS技术中的应用已经得到了广泛的认可。这些是环保化合物，旨在模仿生物体或天然材料中的功能、特性或结构[89]，并且是无毒的[90]。PVA的一些独特特性包括生物相容性、可生物降解性、成膜能力、溶解性以及热和机械性能[[91], [92], [93]]。根据Oustadi等人的研究[94]，将PVA集成到SLIPS中提高了材料的耐久性。集成的一个关键作用是增强抗腐蚀和抗生物污染性能。主要的集成技术包括在涂层/粘合剂或多孔材料中采用PVA成分，然后将其注入润滑剂中，如图8所示。图8展示了制造材料表面的两种主要技术：(1) 修改低表面能成分的外表面；(2) 用低表面能材料改变不平整的表面。或者，这两种技术可以同时使用[95]。图8(a)展示了增强SLIPS表面的步骤。涉及的步骤包括基底结构化、原位生长结构化和表面复合及涂层[96]。图8(b)展示了润滑剂注入结构表面和油浸渍凝胶形成的逐层制造过程[97]。此外，还进行了油中的膨胀和凝胶化过程，如图8(c)所示。

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图8. PVA集成到SLIPS中的制造过程示意图。(a) 集成过程中涉及的不同步骤的示意图。(b) 油浸渍凝胶和SLIPS表面的设计。(c) 凝胶制备策略的设计。经参考文献[96]许可转载，版权2020年，英国皇家化学会。

Moon等人的研究表明，以环保方式应用润滑剂非常重要[98]。值得注意的是，一些润滑剂的水摩擦系数低于某些聚合物（如PVA）。这意味着润滑剂的应用可能比PVA更有效。值得注意的是，大多数研究都使用PVA进行生物污染研究[[99], [100], [101]]。

4. SLIPS的自愈特性
本节强调了SLIPS自愈特性的重要性。特别是，关于划伤材料自愈的答案通过一些相关文献得到了阐明。SLIPS的自愈特性独特之处在于润滑剂在多孔环境中的移动[102,103]。重要的是，涂层的自愈机制涉及释放涂层材料中的某些元素以修复可能发生的损伤。通常，这种方法依赖于保护基质中存在的封闭剂。这些封闭或分散的剂包括微胶囊、功能基团和其他环保材料。当涂层受损时，自愈物质被激活并释放出来。释放的活性剂与其他材料反应，填充受损区域，恢复涂层的有效性和完整性[104]。Wang等人[105]报道了一项关于自修复特性的研究。在该研究中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）被注入三氯丙基硅烷（TCPS）。TCPS通过与环境中的水分反应形成自组装结构，生成硅纳米/微米级草状结构。合成材料被证实具有自修复涂层特性，因为它能有效保护PDMS表面，并且能够容纳大量硅油，如图9(a)所示。根据Wei等人[106]的研究，使用纳米多孔SnO2材料的液体浸渍表面显示出自修复和高耐腐蚀性。图9(b)描述了通过刮擦和折叠造成的机械损伤涂层，以及所应用的生物润滑材料的耐腐蚀性和自修复特性[106]。下载：下载高分辨率图像（486KB）下载：下载全尺寸图像图9. 自修复机制的示意图。(a) TCPS、PDMS和硅油的协同应用。(b) 液体浸渍材料有效自修复机制的描述。经参考文献[105]许可转载，版权2017，美国化学学会（图9(a)）。改编自参考文献[106]，Elsevier 2023（图9(b)）。有少数案例研究展示了SLIPS技术的自修复本质。例如，Xiang等人[107]的研究表明，这种光滑表面具有约1.14×10^-7 A cm^-2的优异抗腐蚀性。在Mg基底上的光滑防污涂层，包括润滑剂，其自修复效果达到了约81%[108]。SLIPS减少了污损生物的附着。此外，一项为期360天的防污测试报告了约97.5%的自修复效果[109]。5. 生物污损和生物腐蚀控制中环保SLIPS的应用环保SLIPS在生物腐蚀控制中的应用对研究人员和工业界至关重要。通常，SLIPS可以应用于各种环境，如深海、医疗设备、油罐和管道、航空航天以及核能环境。值得注意的是，不同的应用环境会有其独特的机制。5.1. 海洋环境基于海葵等生物形态开发的4D SLIPS利用仿生纤毛技术，能够实时改变防污机制，提高适应深海环境的能力[110]。Zhang等人[111]报道了一种光滑液体状表面聚合物（SLLSP）的耐腐蚀性能。这种共聚物涂层通过将高效防污材料——长链有机硅单体（HPSM）融入自抛光聚合物基质中制成，灵感来源于海豚的光滑皮肤。实验室测试表明，SLLSP对常见的海洋物种（如Navicula sp.和Porphyridium sp.）具有防污效果。在海洋应用中，SLLSP涂层在多次静态和动态暴露后仍保持完整。这些特性表明SLLSP在复杂的海洋环境中具有出色的抗污性能。根据图10，SLLSP作为防污和减阻剂非常有效。该研究通过将有机硅化合物与聚合物结合，解决了SLIPS的润滑剂损失和复杂制造工艺问题。下载：下载高分辨率图像（911KB）下载：下载全尺寸图像图10. 环保材料在海洋环境中的应用示意图。改编自参考文献[111]，Elsevier 2023。一种受海洋生物启发的表面（MIS）被创造出来，用于降低高速湍流环境中的摩擦阻力[112]。这种材料通过模仿黏液的储存和分泌系统开发而成。研究使用含有润滑剂的单一腔体的2D域来研究MIS的机制。研究还显示，在风暴流海洋环境中，其减阻效率达到了39%。受贻贝等海洋生物的启发，开发了含有特定化学物质的保护涂层，以改善表面附着力从而增强抗腐蚀性能[113]。特别是，仿生学在海洋和其他环境中的新发展为新型防滑表面的开发提供了出色的思路[113,114]。大多数研究报道了使用类似天然材料的抗海洋腐蚀和生物污损方法[115,116]。一些特定于海洋环境的环保材料包括仿生微结构涂层、天然防污剂、来自海洋生物的酶、仿生超光滑表面和抗污黏液[[117], [118], [119]]。Soma Raju等人[120]详细介绍了使用环保涂层材料（如混合溶胶-凝胶）的重要性。此外，由无机和有机溶胶-凝胶混合物制成的薄膜具有最小的表面自由能，从而形成疏水涂层表面，减少细菌附着。因此，这些材料作为高效的防污涂层，在各种实际应用中特别适用于海洋环境。溶胶-凝胶涂层可以防止涂层表面受到周围环境的腐蚀和污染[120]。5.2. 工业环境本节重点介绍了不同环保SLIPS涂层的各种工业应用。这种涂层的主要应用领域包括航空航天、核设施、医疗和食品加工行业。SLIPS可以应用于多种环境，例如深海、医疗设备、油罐和管道、航空航天以及核能环境。值得注意的是，不同的应用环境会有其独特的机制。5.1. 海洋环境基于海葵等生物形态开发的4D SLIPS利用仿生纤毛技术，能够实时改变防污机制，提高适应深海环境的能力[110]。Zhang等人[111]报道了一种光滑液体状表面聚合物（SLLSP）的耐腐蚀性能。这种共聚物涂层通过将高效防污材料——长链有机硅单体（HPSM）融入自抛光聚合物基质中制成，灵感来源于海豚的光滑皮肤。实验室测试表明，SLLSP对常见的海洋物种（如Navicula sp.和Porphyridium sp.）具有防污效果。在海洋应用中，SLLSP涂层在多次静态和动态暴露后仍保持完整。这些特性表明SLLSP在复杂的海洋环境中具有出色的抗污性能。根据图10，SLLSP作为防污和减阻剂非常有效。该研究通过将有机硅化合物与聚合物结合，解决了SLIPS的润滑剂损失和复杂制造工艺问题。下载：下载高分辨率图像（911KB）下载：下载全尺寸图像图10. 环保材料在海洋环境中的应用示意图。改编自参考文献[111]，Elsevier 2023。一种受海洋生物启发的表面（MIS）被创造出来，用于降低高速湍流环境中的摩擦阻力[112]。这种材料通过模仿黏液的储存和分泌系统开发而成。研究还显示，在风暴流海洋环境中，其减阻效率达到了39%。受贻贝等海洋生物的启发，开发了含有特定化学物质的保护涂层，以改善表面附着力，从而增强抗腐蚀性能[113]。特别是，仿生学在海洋和其他环境中的新发展为新型防滑表面的开发提供了出色的思路[113,114]。大多数研究报道了使用类似天然材料的抗海洋腐蚀和生物污损方法[115,116]。一些特定于海洋环境的环保材料包括仿生微结构涂层、天然防污剂、来自海洋生物的酶、仿生超光滑表面和抗污黏液[[117], [118], [119]]。Soma Raju等人[120]详细介绍了使用环保涂层材料（如混合溶胶-凝胶）的重要性。此外，由无机和有机溶胶-凝胶混合物制成的薄膜具有最小的表面自由能，形成疏水涂层表面，减少细菌附着。因此，这些材料作为高效的防污涂层，在广泛的实际应用中特别适用于海洋环境。结果表明，溶胶-凝胶涂层可以防止涂层表面受到周围环境的腐蚀和污染[120]。5.2. 工业环境本节重点介绍了不同环保SLIPS涂层的各种工业应用。这种涂层的主要应用领域包括航空航天、核设施、医疗和食品加工行业。SLIPS可以应用于一些具有挑战性的环境，如货油罐、水下基础设施和油管道[121,122]。为了降低温室气体排放和能源成本，一些金属被认为是潜在的解决方案，在航空航天和运输等行业中有多种应用[123,124]。鉴于许多金属的广泛应用，Yu等人[123]报道了通过电沉积实现的生物启发型SLIPS应用，能够减轻镁合金的腐蚀。值得注意的是，深共晶介质增强了电沉积效果，并作为液体表面涂层，抑制腐蚀并减少金属结冰。Zhang等人[125]研究了使用不相容润滑剂的SLIPS作为防护膜，与天然设计相比，提供了更好的全疏水性和更广泛的防污效果。图11(a)展示了SLIPS相关镜头在医疗环境中的防污特性。在这里，SLIPS在医疗领域的应用效果得到了提升。实验室芯片微流控技术和设备由于其低接触角理论，在工业应用中非常有效，允许更好地操控液体和液滴[85]。这种材料减少了液体介质中的阻力，提高了机械和管道的能源效率。根据图11(b)，液体能够在SLIPS上流动，而润滑剂被剪切掉（图11(c)）。图11(d)展示了H2O、矿物油和C2H5OH在超疏水光滑表面上的图像，图11(e)显示了SLIPS与未经处理和超疏水介质相比的高阻力。显著的是，SLIPS涂层管在长时间接触、流动或储存各种粘弹性材料和复杂流体后，可以防止表面生物污损。这些通常应用于相关医疗设备（例如尿液和血液）、食品加工（液体和饮料）以及其他工业和商业应用[126]。下载：下载高分辨率图像（406KB）下载：下载全尺寸图像图11. SLIPS在各种环境中的应用。(a) SLIPS在医疗环境中的效果。(b) 液体在润滑剂芯片微流控上的流动示意图。(c) 润滑剂被剪切掉的示意图。(d) H2O、矿物油和C2H5OH在不同超疏水光滑表面上的图像。(e) 显示了不同超疏水光滑表面的摩擦阻力对比图。改编自参考文献[125]，Elsevier（图11(a)和(d)）。改编自参考文献[85]，Wiley-VCH GmbH 2023（图11(b,c)和(e)）。Cao等人[127]描述了环保SLIPS材料在生物医学、减阻和防冰应用中的使用。为了解决食品安全问题，科学家们开发了利用矿物、玉米和橄榄制成的SLIPS[128,129]。这些环保SLIPS可以涂覆在食品包装和/或加工材料上。Dhyani等人[130]研究了鱼类、昆虫和植物中的抗冻蛋白。这种环保材料附着在表面上，限制了冰的成核和生长。这模仿了防止冰形成的自然机制。据报道，这种蛋白质材料在太阳能、运输和建筑领域也有效。然而，长时间保持光滑材料在表面上存在挑战。Feng等人[131]报道了一种生物启发的光滑表面材料，其中注入了稳定的润滑剂，以实现有效的水分收集。液体收集效率达到了852 mg cm^-2 h^-1，并持续了20小时以上。这个基本的结构协同例子可以用于设计新的水操控和收集结构，具有稳定的光滑表面，防止生物污损和腐蚀。6. SLIPS在生物医学应用中的最新进展最近，SLIPS在生物医学领域的应用对研究人员和工业界人员来说非常重要。根据Chen等人[132]的研究，用SLIPS制造的TC4材料性能最佳，其在生物医学应用中非常有效。与未经SLIPS涂层的裸露基底相比，抗腐蚀性降低了约2.34×10^7 A cm^2。Dinc等人[133]使用非绿色材料制造SLIPS的研究表明，某些材料（如纤维素）在生物医学应用中效果不佳，因为它们无法熔化且溶解度低，尤其是在某些有机溶剂中。值得注意的是，SLIPS在生物医学应用中的发展有助于减轻生物膜的形成并提高血液相容性[134]。7. 环保SLIPS在生物腐蚀研究中的挑战和局限性，以及与传统涂层的比较分析据报道，环保SLIPS在不同环境中的应用效果显著。然而，一些SLIPS在生物污损和生物腐蚀研究中遇到问题和局限性，影响了其实际应用和长期性能。尽管SLIPS方法以其低附着特性而闻名，但关于其有效性的数据有限，尤其是在微生物主导的环境中。大多数挑战见表2。表2. SLIPS相对于传统涂层的优势、面临的挑战以及研究方向。SLIPS相对于传统涂层的优势SLIPS面临的挑战研究方向1. 自修复：SLIPS表现出优异的自修复特性，无论经过多次刮擦和修复周期[135]。一些传统涂层缺乏固有的自修复能力。例如，氟化涂层通常不具备自修复能力[136]。可扩展性有限需要改进从实验室规模到大规模生产的过渡[59]2. 制造工艺：SLIPS需要先进的制造工艺才能提高效率[137]，而传统涂层已经建立了成熟的工艺[138]。生产成本高昂简化制造工艺将有助于降低生产成本[68]3. 抗生物污损：SLIPS提供有效的保护性润滑层，防止微生物附着[139]。传统的防污方法通常包括抗生素，这些抗生素对环境有不良影响，导致抗性微生物菌株的产生[139]。生物相容性问题需要适当平衡SLIPS的生物相容性[127]4. 表面光滑度：SLIPS提供特征性的光滑无缺陷的液体表面，从而减少污染物的附着强度和阻力[140]。环氧涂层的表面通常不是原子级光滑的。制造工艺复杂需要改进制造工艺，例如引入可生物降解和生物相容的替代材料[141]5. 接触角滞后：SLIPS以其极低的接触角滞后（小于5°）而著称[142,143]。超疏水涂层表面可能表现出较差的压力稳定性，从而影响稳定的空气层[143]。机械强度需要改进液体膜和多孔基底的性质，以提高SLIPS的机械性能[144]6. 结冰：SLIPS通过有效去除凝结的水分抑制结冰，而传统涂层在高湿度条件下常常因结冰和水凝结而失效[145]。润滑剂损失和稳定性需要用润滑剂固定多孔基底，以限制润滑剂的损失。改进对润滑剂有较高亲和力的基底，以提高稳定性[146]7. 耐用性：SLIPS表现出更好的耐用性，使其能够适应极端和复杂的环境[147,148]。传统涂层在极端和复杂操作条件下耐用性有限[149]。结构缺陷需要改进润滑剂在SLIPS结构中的固定[150]8. 微观尺度界面行为本节重点介绍了微观尺度行为，如润滑剂与微生物的相互作用以及与表面能量相关的动态变化。润滑剂与微生物的相互作用，特别是在SLIPS和功能化生物润滑剂方面，通常通过分子力、润湿性和表面能量得到增强[151,152]。根据Maryami等人[153]的研究，润滑剂创建了一个移动的液体界面，防止微生物附着在材料表面。原子级光滑的液体表面主要负责抗污特性，因为微生物菌落无法形成稳定的附着。此外，低表面粗糙度和类似液体的特性是生物膜释放机制的关键因素。重要的是，SLIPS材料由于其可移动的界面而能够持续释放生物膜。表面粗糙度和润湿性显著影响了生物膜的初始附着和定植[153]。9. SLIPS在极端条件下的稳定性，例如深海或高温环境：深海环境被认为是一个具有极高静水压力的恶劣环境，这可能会影响材料的性能[154]。鉴于此，开发能够在这种恶劣环境中使用的SLIPS材料是必要的。需要注意的是，在SLIPS应用中，软沉积物、热降解、润滑剂耗尽和高温条件都是需要重点关注的问题[127,155]。文献显示SLIPS在恶劣环境中的有效应用。例如，Zhang等人[156]在铝表面上制备了SLIPS，显示出在高温下的稳定抗腐蚀性。最近的一项研究[157]评估了一种新型SLIPS，该SLIPS能够在温度下降到特定阈值时释放油来防止结冰，从而保证长期的抗冰特性。10. 未来的发展方向和创新：环保SLIPS技术的未来发展路径和创新非常动态，主要集中在克服挑战和限制以及增强应用方面。大多数未来的发展方向和创新都与提高自修复潜力、耐用性、改进的材料设计以及集成的防污和防腐蚀功能有关。由于某些环境条件，所应用的SLIPS材料的自修复潜力可能无法实现长期效果。因此，开发具有良好自修复和智能释放特性的耐用新材料是理想的。将亚胺键和二硫键等动态化学键结合到多孔基质中，有助于制造出能够承受恶劣环境的坚固材料。其他一些研究方向包括：(a)开发可生物降解的润滑剂：选择环保和基于生物的润滑剂等可持续材料有助于维持一个无有毒物质的环保环境，特别是在SLIPS受损时。例如，植物来源的油在可生物降解润滑剂的应用中具有重要意义[158]。(b)整合人工智能（AI）以优化表面设计：最近，AI在材料研究中的应用受到了广泛关注。它通过帮助不同应用中的优化过程改变了表面设计。AI方法可以根据传感器数据和加工参数预测表面质量，从而延长材料寿命并减少磨损[159,160]。(c)建立标准化测试协议以评估SLIPS在现实世界环境中的长期性能：不同研究机构之间测试程序的不统一导致了结果的不可比性和不一致性，从而影响了SLIPS的实际材料工程应用[161]。除了实验室测试外，研究人员和工业界还需要推广实时应用中的原位表征，以评估防腐蚀和防生物污染性能。采用分子动力学和计算流体动力学来评估不同环境下的长期腐蚀和污染问题，将有助于未来确定测试和设计阶段。11. 结论：当前的综述非常重要，因为它涵盖了关于环保材料在SLIPS方法中协同效应的大部分较少研究的领域。综述解释了环保SLIPS的可扩展性，并强调了需要结合其他环保成分以有效减轻腐蚀的重要性。综述详细介绍了SLIPS在海洋、航空、食品加工、医疗和核热交换器中的应用机制。值得注意的是，这些材料的应用是有效的，并且对暴露基材的影响有限。然而，SLIPS长时间暴露是应用中的一个挑战。通过开发材料设计、整合响应性和智能防污机制以及采用受环保启发的有效表面和分子动力学，可以实现创新和未来的发展方向。CRediT作者贡献声明：Ini-Ibehe Nabuk Etim：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、概念化。Ruiyong Zhang：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。Sikandar Khan：撰写——审阅与编辑。Xiao Wang：撰写——审阅与编辑。Jizhou Duan：撰写——审阅与编辑。Baorong Hou：撰写——审阅与编辑。