“国家的需要就是我们的选题”比较大的证券公司，
我们不仅仅是为了发表几篇文章，
解决国家的重大实际需求问题
才是我们最朴素、最真实的动力。
——韦博鑫· 中国科学院金属研究所副研究员
大家好，我是来自中国科学院金属研究所的韦博鑫，我的主要研究方向是金属材料的腐蚀与防护，很高兴今天有这样一个机会，能够带大家一起走进材料的科研世界，以及科研背后的故事。
在金属的表面挖呀挖
谈到腐蚀，首先想到的是生锈。我们在生活中会遇到形形色色的腐蚀问题，但是腐蚀并不是一件小事，不光生活用品会发生腐蚀，在工业装备里面，腐蚀被誉为金属以及大型装备的“”。
我们可以看到：这张图片的左下角发生了海洋平台钢桩的腐蚀。在中间，工业燃气轮机就像哪吒的风火轮一样在高速运转，它们在高温下发生氧化，表面甚至会被烧蚀。右下角这一张是飞机，它在沿海地区高空高湿的条件下飞行，机身材料也会腐蚀。
腐蚀其实一直悄悄地在我们身边发生，它的危害可不止于此。据数据统计，全球每年因腐蚀造成的经济损失达到了GDP的3%到5%。在我国，因为腐蚀造成的损失，每年已经达到了2万亿元，这个数字我们难以想象，它竟然超过了所有自然灾害的总和。
从这一方面来说，我们做腐蚀研究的人，其实正是为了装备能够用得更久、能够更加强大，也是为国家的经济做出贡献。
在我们日常生活中或者在工业装备上，还有一种更为隐蔽的腐蚀，大家可能没有听说过，叫微生物腐蚀，这也是我的主要研究方向。大家可能会想，小小的微生物它怎么能腐蚀呢？它的腐蚀到底有多强呢？
什么是微生物腐蚀呢？很多小朋友小时候都会长蛀牙，其实微生物腐蚀就跟金属的蛀牙一样，环境中的微生物可以贴附在金属的表面，在金属的表面慢慢地啃呀啃、挖呀挖，直到把金属挖成洞，让它腐蚀失效。
它的腐蚀范围有多广呢？我们可以从这几张图片来看。地下的油气管网是我们国家能源经济大动脉，在油气田领域，有50%以上的腐蚀是由微生物腐蚀造成的，它会造成管道的失效或破坏。
在海洋领域，大家都听过泰坦尼克号的故事，这艘最大的轮船沉没百年以后，海洋微生物持续腐蚀着整个船体，科学家预测再经过几十年整个船体可能就会被吃空。
微生物腐蚀也很“卷”。在太空环境，虽然空间站在轨道高空运行，但是一个相对封闭的环境也会造成微生物的滋长。很早就有报道，电气仪表系统以及冷却系统都发生过微生物腐蚀失效的案例，一旦失效，就会造成整个空间器的安全问题。
离我们最近的还有人体环境，很多小朋友因为要牙齿变得更漂亮，会戴一些金属的牙套。那么口腔中的细菌会腐蚀整个金属牙套，产生健康问题，所以小朋友一定要好好刷牙。
为大国重器筑起安全防线
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微生物腐蚀造成的经济损失已经占据了（总腐蚀损失的）20%，是一个非常普遍的腐蚀问题。大家肯定会想，我们在实验室怎么研究微生物腐蚀？这么一个小小的微生物，它到底有多强大的腐蚀能力？
我可以给大家讲一个例子。我们曾经接到了一个海洋平台FPSO船（即浮式生产储油轮，是集海上石油天然气开采、加工、储存及外运功能于一体的浮式生产储卸油装置）腐蚀失效的事故分析。
当时我刚接触到科研，以为科研都是在实验室里面优雅地做实验，但其实我们是在乘风破浪。到了海洋平台现场以后，我才发现整个人——用腐蚀领域的词来说，被吹到了表面钝化的状态，因为海风特别强大。
但是整个过程是非常开心的。在这里我看到了最大的一艘油气加工厂，右边这张图上的叫FPSO船，它几十万吨级的装备，承载着国家数十亿美元的投资，是我们国家能源战略里面的重要一环。这个FPSO平台顶部有很多钢制的管道以及储罐，它要把从海底采集的原油，还有一些海水作为工艺冷却水，在这个平台上进行处理，也就是一个小小的海上油气加工厂。
这次的问题就在于，它顶部的一组设备只用了三个月，突然发生了腐蚀失效。工程方特别困惑——这么强大的设备、这么好的材料，而且有很好的腐蚀防护方法，但为什么用了三个月，会发生这么快失效呢？
这个时候，我们一群专家就要到现场去做这个判断。就像人生病了一样，专家要针对病因找到问题。外国专家认为，在这个环境中，材料的耐蚀性不够，建议我们更换材料。更换材料又面临着巨大的经济损失，这笔账可能要花费上千万元。
主要的是要把病因找准，当时我印象特别深刻，因为我们整个设备观察到，它没有发生大面积的腐蚀，只有一些小小的点蚀穿孔。大家看我画的白色的圈，就是一个小小的孔，它很小，但是会造成巨大的泄漏，导致整个设备的停产。
实验室长期研究的理论直觉告诉我，这个小孔很像是微生物腐蚀的特征，尤其是在海洋这种环境下。这个时候我们提出了这个猜想，就一定要给出相应的证据来说服大家。所以我们就进入了侦探模式。
我们把样品从现场采集回来，利用了生物荧光成像染色技术。可以看到左上角这张图片，样品表面存在着一些黑色的斑点，这个就是腐蚀坑，金属被腐蚀掉了，形成一些坑点。用生物荧光成像染色以后，我们可以看到，在局部区域有一些绿色的荧光信号，这个就是活的细菌所产生的荧光信号，一些红色荧光信号就是死的细菌产生的荧光信号。
这些荧光信号很巧地落在了所有腐蚀坑点处，也就是说，微生物有可能造成了里面的腐蚀。更为直观的是，我们把现场采集回来的工艺水，在实验室里模拟当时的环境，它到第三天就已经变黑了。这也就是说，微生物开始了它的工作。
微生物腐蚀一定会留下一些“犯罪证据”，我们在电子显微镜下观察整个腐蚀的情况。可以看到左边这张图片，它表面有一层腐蚀产物膜，我们看到了微生物的足迹，就是这些杆状的细菌。当我们把这层生物膜去除掉了以后，可以看到表面坑坑洼洼的坑点，这个坑点会向纵深发展，直到把金属穿透。
微生物腐蚀其实还带有一些DNA证据。大家没有听错，微生物腐蚀竟然和其他腐蚀不一样，它有DNA信号。我们把整个腐蚀产物提取出来，提取它的DNA，并对DNA进行一个高通量的测序，就像人体生病了以后，医生给病人做检测一样。
我们检测到了上百种细菌，其中与腐蚀最直接相关的就是我标出来的两种：硫酸盐还原菌和产甲烷菌。这两个是我们腐蚀界的老手，前科累累。所以我们通过这样严谨的调查和证据，给出了这个腐蚀问题的答案——混合细菌微生物导致的金属腐蚀穿孔失效。
下一步，我们要做出相应的防护措施。大家想，如果要防治微生物腐蚀，我们是不是应该要杀菌？如果一提到杀菌，肯定会想到生活中用消毒液进行杀菌。
我们口腔里面会用一些漱口水，每天保持口腔的健康清新。这些工业装备也需要用杀菌剂，我们提出了用杀菌剂对现场的微生物腐蚀进行控制。短期效果非常明显，整个设备安全运行了非常平稳的一段时间。
这次事件对我来说特别印象深刻，它让我第一次了解到，微生物腐蚀其实不是一个小问题，而是大国重器的“隐形杀手”。看似我们面对的“对手”很小，但我们确实需要为大国重器筑起第一道安全防线。这也更加让我坚定了自己的选择，继续从事微生物腐蚀研究。
打造自主抗菌的“钢铁侠”
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很快我们又遇到了另外一个问题，就是现场的杀菌剂用得越多，微生物越难以控制。这是为什么呢？
我们可以看这样一张图片，微生物腐蚀，是由于微生物在金属表面吸附，会形成一层生物膜。这个生物膜怎么理解呢？就是微生物到环境里面，要给自己建一个房子，这个房子就会保护它，当缓蚀剂和杀菌剂过来以后，它就会产生一个自我的防护作用。
缓蚀剂应用越多，它会因为群体感应和基因突变产生耐药性。这就是很多医生会告诉大家，感冒了不要吃太多的抗生素，会导致以后越来越难以治疗。也就是说，微生物“你越打我越抗”，所以新型的防护技术是非常有必要的。
我们作为材料研究的人，第一个首先要想到的是，有一些金属本身具有抗菌性。生活中我们可以看到一些门把手、医院的扶手以及餐具，都用铜和银制备。铜和银具有很好的抗菌性能，所以我们就在想，能不能利用金属的这种抗菌特性，去抑制环境中的微生物腐蚀呢？
▲生活中门把手、电梯按钮、医院里的水龙头常用铜合金，本身就具有杀菌能力
这个时候，就要提高金属的抗菌性能的效率。所以我们就提出了能不能把它的表面积增大，利用纳米技术，把金属材料做成纳米的粒子分散到水溶液里面，让它能够变成可以加得进去、可以调控的、像化学杀菌剂一样的杀菌物质，通过物理杀菌和化学干扰的作用进行防护，而不仅仅像化学杀菌剂那样。
但是，我们遇到了一个很重要的难题：纳米粒子合成以后，因为表面能非常高，所以会团聚，就像一些不听话的小球一样相互抱团在一起。这个问题就很严重，如果没有良好的分散性，后边杀菌该怎么做呢？
▲纳米团聚现象
我们就在想，能不能让这些粒子相互排斥？所以我们给它加了一个表面活性剂，相当于给它穿上了一层外衣，它因为带着同种的电荷，粒子之间相互排斥，就像给孙悟空戴了一个紧箍咒一样，它在水溶液里面变得非常听话。
大家可以看右边两幅图片，我们在第三张合成出来杀菌剂，分散性就特别好。
再回到微观视野下可以看到，纳米粒子一直分散在视野表面，大概只有十几个纳米，由铜和银两种金属元素组成，它在环境里遇到细菌以后，就开启了包裹模式。
下方右边这幅图片，整个细菌的细胞壁已经被溶解掉了，胞内物质流出来了，这也就证明细菌已经被杀死了。
后来我们想，这个纳米粒子这么好，能不能把它用于人体安全领域？大家都知道，人骨折因为感染，伤口难以愈合，所以我们想把纳米粒子做成涂层，喷涂在钢板表面，再作为人体植入物，相当于给它穿上了一件隐形抗菌战衣。
图上可以看到，整个涂层表面有很少的细菌黏附，并且这些细菌的形态已经发生了改变，而这两种细菌就是导致人体感染的细菌。
▲我们把水溶胶体系进一步发展成了纳米复合涂层，刷在不同基材的钢板表面，做了抗菌性能测试
更让我们高兴的是，这个抗菌涂层非常智能，它只会杀死有害细菌，而对于骨细胞有很好的生长作用。我们可以看到这幅图，涂层表面整个细胞的密度是更大的，看到了更多的细胞核。
有同学可能会提问了：我们能不能让“钢铁侠”自带抗菌性，做一块自带杀菌材料的钢材呢？这个想法听起来很酷，实施起来也非常容易，似乎给钢里面加铜就可以。但是这个“钢铁侠”变身做起来还是难以想象的。
这里遇到了一个材料领域的典型难题，叫做“铜元素的双刃剑效应”。虽然我们可以把铜加进钢里面，但是如果铜的析出不受控，那么铜就像一个小小的钉子一样，钉在材料的内部，原本的柔韧结构就被破坏了。
另外还会迎来一个问题，就是铁和铜之间存在着一个电位差。这就像埋了一个个小炸弹、一个个小电池一样，经过一段时间，爆发以后，它就会造成腐蚀穿孔。
▲铜元素的双刃剑效应 来源：
D. Raabe et al., Scripta Materialia 60(2009) 1141.J. Moon et al., Scientific Report 10, 12140(2020).
怎么办呢？这个时候，我们提出材料的析出强化理论，要控制这些析出相。其实这些析出相就像是一个个小的维生素，能够让钢更强，也能够破坏钢本身的强韧性，那么它的形态、大小和密度都会影响钢材的强度、抗菌性能和耐蚀性等等。
所以我们严格地控制它的热处理过程，让这些铜以纳米析出相存在——刚才讲到了，纳米析出相有很好的性能，我们就让它以纳米析出相存在。
这些纳米析出相长什么样？我们利用了三维原子探针技术，去观察纳米析出相，我们可以看到，铜在钢里面像星星一样分布，如右下角这张图片，非常漂亮，它的尺寸只有十几个纳米。
这些小析出相可有妙用。可以看到，普遍的钢表面的细菌呈现饱满的杆状，但是在我们这种新型抗菌材料的表面，这个细菌就像被拍扁的一个水球，而且不用人为去拍扁它，钢就可以把细菌杀死，整个胞内的物质也流出来了。
同时，通过这个析出相，材料可以变得更强，“钢铁侠”变得更加强大。它的强度从几百个兆帕可以提升到1800个兆帕，强度翻了一番多。同时在这个环境下，可以看右上角这张图片，钢的表面是一个像溃疡状的腐蚀形貌，但是在右下角图片中，钢材的表面非常光滑。
我们的材料应用于海洋平台以及油气田领域，服役半年以后，整个腐蚀速率下降了80%，且强度保持不变。
国家的需要，就是我们的选题
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那么，我们的材料是怎么做出来的？
大家可以看看后边这些大家伙，那段时间是我们最接地气的科研时光。我整天和学生、工人师傅一块待在车间里，一块去做热处理、控程序、加热、轧制。可以说一边升级打怪、一边做材料。做完以后，我们还要做力学性能、抗菌性能测试。
正是由于这种科研加实干的过程，才稳稳地把这个力学、耐蚀性和抗菌性能做出来了。
其实回顾整个微生物腐蚀防护的研发过程，还是非常不容易的。就像我们打副本一样，每次失败并不是游戏结束，而是重新来过，一直在攒装备、攒经验，最终升级打Boss，才能让这个问题收获破解的曙光。
金属所老师经常说一句话：“国家的需要，就是我们的选题。”每次听到这句话，我都特别有共鸣，我们科研人员做的东西，并不是仅仅为了发表几篇文章，而是更想看我们的成果能不能落地、能不能解决我们国家的重大实际需求问题，这也就是我们科研人员最朴素、最真实的动力。
最后我特别想说，感谢一起合作攻关的合作者们。正是因为有了这样一群志同道合、彼此信任的伙伴的支持与合作，才能让“做得成，坐得住”变成了可能。
如果大家对材料科学和腐蚀科学感兴趣，未来有机会欢迎到金属所来看看，一起来遨游材料的有趣世界。
谢谢大家！
原标题：这个隐形杀手每年让中国损失数千亿元，我的工作就是消灭它｜韦博鑫
来源：格致论道讲坛
编辑：刘子溪
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