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甯波材料所在揭示新型DNA緩蝕分子作用機制方面取得進展
作者:,日期:2019-07-02

  金屬材料的有效腐蝕防護是關乎國計民生的重大戰略,而緩蝕劑技術由于具備優異的效果和良好的經濟效益,已成爲防腐蝕技術中應用最爲廣泛的方法之一。有機緩蝕劑主要通過分子結構中的雜原子、p鍵或極性基團作爲活性吸附中心在金屬表面形成一層保護膜,而有機分子與金屬之間化學鍵的強度直接決定了該保護膜的質量和最終的緩蝕性能。因此,一般認爲具有更多的活性吸附中心的緩蝕分子會與金屬之間形成更強的螯合作用,進而可在金屬表面生成更穩定的吸附膜。但緩蝕劑的分子結構與腐蝕抑制性能之間具體的構效關系如何,目前依然是緩蝕劑領域亟待解決的難題。

  進入21世紀,可持續發展戰略已成爲世界各國的共識,從環境保護的角度來看,“綠色”緩蝕劑是如今的重要發展方向。因此研究對環境無公害的環境友好型緩蝕劑具有非常重要的學術價值和實用意義。作爲一種綠色生物大分子,脫氧核糖核酸(DNA)含有許多配位原子的極性基團,在新型綠色緩蝕劑的應用中具有巨大潛力。

  近日,中國科學院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员团队博士后强玉杰通过系统的电化学测试、表面结构表征、吸附等温模型以及分子动力学模拟等方法系统研究了DNA分子对铜在硫酸溶液中的缓蚀性能及机理。实验结果表明,DNA可以作为铜在硫酸介质中的高效缓蚀剂,缓蚀效率可达90%以上,并在温度升高以后依旧可保持优异的缓蚀性能。且该缓蚀剂属于阴极型缓蚀剂,会在铜表面生成一层致密的单分子膜,符合langmuir吸附等温模型。DNA缓蚀膜在铜表面具有活性阻滞效应,且为化学吸附为主的混合吸附模式。分子动力学模拟从分子层面上得出了DNA分子及其各组分在铜表面的稳定吸附构型及吸附强度,发现了腺嘌呤核苷酸在DNA缓蚀性能中所发挥的主导作用,从而为同类型缓蚀剂进一步的分子设计与应用提供了理论指导。相关研究结果发表在Applied Surface Science, 2019, 492, 228-238

  在之前的工作中,強玉傑已經通過電化學以及分子模擬技術相結合的方法,研究了一系列吲唑類化合物、咪唑基離子液體等含氮類有機分子對海工金屬材料的緩蝕性能及機理。相關研究結果發表在Journal of Colloid and Interface Science, 2016, 472, 52-59; Corrosion Science, 2017, 119, 68-78; Corrosion Science, 2017, 126, 295-304; Corrosion Science, 2018, 133, 6-16; Corrosion Science, 2018, 140, 111-121。其中兩篇文章入選了ESI高被引論文,一篇爲Corrosion Science 2017年年度被引頻次最高文章,一篇爲Corrosion Science 2018年年度被引頻次最高文章。

  上述研究工作获得国家杰出青年科学基金(51825505)、国家自然科学基金(21676035, 21878029)、广东省扬帆计划(2015YT02D025)等的资助。

  图1 (a)铜电极在含有不同浓度的DNA的盐酸溶液中的Nyquist图,(b)Bode图,(c)等效电路,(d)吸附机理

 

图2 在Cu(111)表面上吸附的DNA分子的平衡构型

 

  图3 DNA分子单组分在Cu(111)表面上吸附的平衡构型:腺嘌呤核苷酸(A),胞嘧啶核苷酸(C),鸟嘌呤核苷酸(G)和胸腺嘧啶核苷酸(T)

  (表面事业部/中科院海洋新材料与应用技术重点实验室 强玉杰)