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黃明欣團隊采用粉末冶金的生產工藝，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”現象，而且其富銅沉淀物能均勻分布在整個金屬制品中，即使制品表面磨損也不會影響其抗病毒效果。
新冠肺炎疫情暴發以來，“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，研發出能夠殺滅新冠病毒的不銹鋼材料，成為業界和學界的一大目標。
近期，香港大學工程學院機械工程系黃明欣教授領導的團隊與香港大學（李嘉誠醫學院）免疫與感染研究中心潘烈文教授的研究團隊合作，通過調整不銹鋼的化學成分和微觀組織結構，成功令不銹鋼能殺滅表面附著的新冠病毒和其他常見病原體微生物。
新型不銹鋼含銅20% 顯示出強大的抗新冠病毒特性
自20世紀初被發明后，憑借著在硬度、耐腐蝕性、可加工性等方面的優異性能，從公共場所的基礎設施，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，不銹鋼這個公共場所隨處可見的基礎材料，已成為新冠病毒擴散傳播的載體——攜帶病毒的飛沫和呼吸道分泌物會附著在不銹鋼材料上，使其成為潛在的病毒傳播媒介。
例如，此前中國疾病預防控制中心曾對一起新冠病毒感染案例進行分析，認為同一單元樓內的住戶極有可能因共用一部電梯，共同觸摸不銹鋼材質的電梯按鍵而造成病毒在住戶中擴散。
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，黃明欣團隊制備了多份樣品，分別是常規的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。并且為了凸顯其實用價值，他們還專門將其制備成了電梯按鈕樣式，以模擬在最常見的使用環境下，不同種類不銹鋼的抗新冠病毒性能。
最終，研究結果顯示，常規316不銹鋼、純銀和含銀不銹鋼對新冠病毒和甲型H1N1流感病毒沒有明顯的抑制作用。而相比之下，純銅和含銅不銹鋼則表現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小時和6小時內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，能在較長的時間范圍內持續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
其實早在這種抗新冠病毒不銹鋼研發之前，能夠抗菌的不銹鋼就已十分普遍，并早早開始了工業化生產，而其中也是添加了銅和銀。
中國科學院金屬研究所研究員楊珂指出，銅和銀已是業界公認的優秀抗菌材料，對包括大腸桿菌等在內的常見致病菌有著出色的抵抗能力。比如含銅量僅5%的抗菌不銹鋼，便具有99%的抗菌率。因為密集的富銅沉淀物會永久留存在不銹鋼基質中，產生持久的抗菌效果。而銀的抗菌能力則更強，只要在不銹鋼基質中添加0.3%的銀，便可產生強大的抗菌效果。但抗菌不銹鋼要想達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，生產過程中會加入鎳、鉻等元素以增強其性能。如果一味加入大量的銅，會使其基礎性能發生改變，從而導致其不再具備不銹鋼的特性，無法進行大規模應用。楊珂表示，生產抗病毒不銹鋼，其最大挑戰在于如何在加入足量的抗病毒元素的同時，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，但加入過量也會嚴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程，需要在1200℃左右的高溫下進行，而銅本身的熔點大約為1080℃。銅加入過多會導致鋼材在熱加工時的鍛造性變差，出現通常意義上的“銅脆”現象。
為了避免“銅脆”現象，同時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。但這些方法生產的涂層，厚度小于1毫米，很容易被磨損導致其抗病毒性能大幅下降，因此這類不銹鋼材料無法取得長期的抗病毒效果，不具備大規模應用的價值。
而黃明欣團隊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行高壓壓制，隨后再以較高的溫度燒結定型。采用這種方法制造的高含銅量不銹鋼，不光不會出現“銅脆”現象，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。
市場空間仍待挖掘 擴大產業化規模應從兩方面發力
楊珂介紹，雖然實驗效果顯著，但抗病毒不銹鋼要形成規?；?、產業化，仍有很長的路要走。即使是目前工業生產已十分成熟的抗菌不銹鋼，其仍有較大的市場空間等待挖掘。
“與我們合作的一家企業，2020年就生產和銷售了5000噸抗菌不銹鋼。”楊珂說，目前抗菌不銹鋼工業已具有較大規模，且形成了相關的行業標準。2020年底，工信部已正式發布“含銅抗菌不銹鋼”行業標準YB/T 4171-2020，涵蓋含銅系列抗菌不銹鋼的訂貨內容、技術要求、試驗方法、檢驗規則等方面。但目前抗菌不銹鋼仍主要應用于生產餐飲領域的餐具、廚具，如抗菌不銹鋼筷子、菜刀等，且消費市場主要集中在江蘇、浙江、廣東，應用規模仍較小，使用場景較為單一。
楊珂還指出，生產抗病毒不銹鋼所用的粉末冶金方法，工藝復雜、成本較高，無法成為主流的生產方式，并且過多銅元素的加入也會使得不銹鋼的耐腐蝕性下降，使其無法用于生產高端產品，一定程度上限制了其應用場景。
楊珂認為，該研究成果雖然距離大規模應用仍需時日，但其打開了一扇新的窗口，使銅在不銹鋼材料中的作用被更大程度顯現了出來，并給予了不銹鋼材料新的可能。“我們國家的抗菌不銹鋼生產技術在世界范圍內是領先的，抗菌不銹鋼未來還可以有更大的用途，其中在醫療器械抗感染方面的應用最被看好。”
目前，楊珂等人也在與深圳地鐵進行合作，開發抗菌不銹鋼制成的把手、欄桿等。他認為，未來要想實現抗菌、抗病毒不銹鋼的規?；瘧?，還應在兩方面發力。一是在應用端找到合適的應用場景，比如可以在醫院中用抗菌不銹鋼建設樣板房，起到示范效果。另一方面則是要加強基礎研究。目前，銅離子抗菌抗病毒的作用機制仍然沒有摸清，各種理論自成一派，沒有統一的、具有廣泛說服力的作用機制，一定程度上制約了抗菌、抗病毒不銹鋼的發展。
來源：科技日報
