微生物是与人类共存的伙伴，微生物中的细菌在生活中无处不在，人体中肠道和口腔中就有无数的细菌存在。细菌们有的有益于人体，有的则危害人类健康。随着社会的不断进步，人们生活品质的明显提升，为了应对个人卫生及公共卫生的需求，能抵御有害细菌伤害的抗菌材料及其各种抗菌用品应运而生。抗菌材料及其起源
抗菌材料是指自身具有抑制或杀灭微生物功能的一类新型功能材料。人类最古老的抗菌材料，是在公元前使用焦柚、乳香、肉桂合成，用于制作木乃伊。距今4000年前，古埃及用经过提炼的草药浸渍处理木乃伊裹尸布（见图1），久历沧桑，依旧不霉不腐[1]；第一次世界大战中，丹麦科学家从毒气受害者伤口不易化脓这一现象得到启示，由此开始了杀菌剂的研究；1935年德国人采用季铵盐处理军服以防止伤口感染（如图2所示）。从而揭开了现代抗菌材料研究和应用的序幕。
图1 采用最古老的抗菌材料制作的木乃伊
图2 一战时期用季铵盐为伤员处理伤口（图片来源于网络）
现代抗菌材料，主要指添加一定量的有效抗菌成分，使材料具有良好抗菌功能的材料。按照添加抗菌剂的种类可以将其分为无机抗菌材料和有机抗菌材料。常见的金属系无机抗菌材料主要是将具有抗菌功能的铜、银等金属元素添加到材料表面。这是因为金属离子杀灭和抑菌的活性有如下排列顺序[1]：Ag+>Hg2+>Cu2+>Cd2+>Cr3+>Ni2+>Pb2+>Co4+>Zn2+>Fe3+相对于标准氢电极（SHE），Ag/Ag+具有很高的电极电位，达+0.799V；而Cu/Cu2+为0.337V；Cu/Cu+为+0.521V；Zn/Zn2+则为-0.763V。可见Ag+的反应活性最大。有害细菌的克星之一：银离子
公元前三百多年，希腊皇帝亚历山大带领军队东征时，受到热带痢疾的感染，大多数士兵得病死亡，东征被迫终止。但是，皇帝和军官们却很少染疾。随着科学的发展，人们后来的研究才发现，这其中的原因与他们使用的餐具有关，皇帝和军官们使用银器，而士兵们的餐具则是锡器。银器可以溶解出极少量的银离子，就是这少到可以忽略不计的银离子杀死了细菌。其实，锡器也具有一定抗菌性能，只是比银器差不少。例如，鲜花插在锡制花瓶中保鲜时间可延长。历史上用银杀菌的例子数不胜数。古代腓尼基人在航海的过程中为了保鲜，将酒、醋、淡水等液体盛放在银制器皿中。中国的明朝时期，《本草纲目》中就有“银屑，安五脏，定心神，止惊悸，除邪气，久服可轻身”的记载。中世纪的欧洲一直用银箔保护伤口，直到第一次世界大战时还用银线缝合伤口，使受伤的士兵们不易感染细菌[3]。20世纪初，现代外科创始人之一Halstead积极推介银箔医疗器械。也有银离子在临床医学上应用的案例[1]。1893年，瑞士植物学家拉克林最早 提出银离子可以杀菌。他发现微量的银离子（10-8摩尔/升）就可以杀灭藻类中的细菌[1]。正因为银离子杀菌用量是所有金属离子中最低的，且无毒无色，其抗菌性应用非常广泛。20世纪70年代末、80年代初，日本人就开始研究银系无机抗菌材料，将银化合物（如银沸石）加入树脂中，做成抗菌塑料[1]。添加了纳米银颗粒抗菌管材（图3），由于其良好的抗菌能力，为食物的存储、液体输送提供了诸多便利，在国内外市场大受欢迎。
图3 添加了纳米银颗粒的抗菌管材
那么，细菌为什么怕银呢？要想弄清楚这个问题，我们还得从银离子杀菌的原理说起。图4描述了银的抗菌机理。银对液体中的细菌有吸附作用，当细菌游离到“银”卫士面前时银离子出击，破坏细菌的铠甲——细胞壁，“抵抗力”稍微逊色的细菌便一命呜呼了；对于部分生命力顽强的细菌，银离子则会继续深入，攻破细菌的细胞膜，细菌元气大伤相继死去。当然，也有一些“聪慧过人”的细菌不正面交锋，选择“菌”海战略，大量繁殖，靠数量碾压。此时，银离子便通过干扰细菌核酸的合成，抑制其脱氧核糖核酸（DNA）或者核糖核酸（RNA）的转录和复制[4]。
图4 Ag+的抗菌机理图[4]
另外，也有人提出活性氧假说[1]，添加金属抗菌剂的材料表面分布着微量的金属元素，具有催化活性中心的作用。该中心可吸收环境能量，激活材料表面吸附的空气或水中的氧气，产生羟基自由基（·OH）和活性氧离子（O2-）。此二者具有非常强的氧化还原能力，借东风，火烧联营，可攻击细菌细胞膜，导致细胞膜蛋白质变性，使细菌乖乖举手投降，丧失增殖能力而被彻底歼灭。研究发现，每升水中只要含亿万分之二毫克的银离子，即可杀死水中的大部分细菌。因此，银离子的战斗注定是一场以少胜多、以寡敌众的赤壁之战，其残酷而惨烈程度可想而知。最终，极其少量的银离子就像战斗英雄，横扫绝大部分细菌，取得战场上的胜利。有害细菌克星之二：铜离子
1878年，法国南部波尔多地区的葡萄遭受“霉叶病”细菌的突然袭击，几乎所有庄园的葡萄树都遭受了毒害，葡萄枝叶凋零，葡萄产量基本为零。庄园主们想尽了各种办法，尝试了多种杀虫剂，但是丝毫没有发生作用。直到1885年，植物学家米拉德教授偶然间发现了一种神奇的液体，可以有效地杀菌。教授把这种液体广泛地应用到了波尔多地区，葡萄生长恢复，葡萄酒产量也因此上来了。这种抗菌液体也被正式命名为“波尔多液”。其实，这种波尔多液的主要化学成分是碱式硫酸铜，分子式为CuSO4·xCu(OH)2·yCa(OH)2·zH2O。它是由硫酸铜、熟石灰和水按照配制1：1：100而成的天蓝色胶状悬浊液。植物新陈代谢和细菌入侵植物细胞时都会分泌酸性物质，这些酸性物质会使波尔多液中碱式硫酸铜转化为可溶的硫酸铜。铜离子的释放可以抑制病原菌孢子萌发和菌丝生长。如图5所示，铜离子“内功”非常 了得，当微量铜离子接触到细菌带负电的细胞壁、细胞膜时，因库伦力吸引导致金属离子进入细胞膜内，结合细胞中蛋白质上的巯（qiu）基。所谓巯基又称氢硫基或硫醇基，是由一个硫原子和一个氢原子相结合组成的负一价官能团，化学分子式为-SH。参与蛋白质组成的20种氨基酸中仅半胱氨酸含巯基。
图5 Cu2+的抗菌机理图[2]
这个反应使蛋白质变性而凝固。同时释放活性氧，进一步破坏微生物细胞中的合成酶的活性，干扰细菌遗传物质DNA的合成，使得细菌无法正常分裂增殖。在两种“功法”的共同影响和作用下，最终细菌因中毒而死亡[2]。同时，金属铜离子和蛋白质的结合还破坏了细菌的电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统[1]。但是，铜离子化合物具有孔雀绿或蓝色等深颜色，其应用受到一定的限制。含银/铜的抗菌金属材料
银、铜离子的优异抗菌性能为材料学家们提供了发展新型抗菌合金材料的思路。在合金中添加微量银和铜，通过合适的加工工艺，制造机械性能好，并具有抗菌性能的含银/铜不锈钢材料以及含铜钴铬合金。含银抗菌不锈钢[1] 根据金属相图，在α-Fe中Ag的溶解度很低，只有0.0002%。因此，人们认为，制造含银不锈钢是不可能的。日本川崎钢铁公司通过特殊方法生产了两种含银不锈钢材料：R430AB和R430LN-AB。此材料中含银0.4%左右，银颗粒以细微颗粒形式存在于金属基体中。由于含银量比较低，银的添加对合金的力学性能和耐蚀性能影响很小。含银不锈钢与含铜不锈钢比，具有更加优越的耐表面处理性。含铜不锈钢需要采用热处理才能保证其抗菌性能。含银不锈钢可广泛用于厨房用具、洗衣机和医疗器械，如图6。
a) 抗菌不锈钢卷板, b)洗衣机抗菌不锈钢内胆, c)抗菌不锈钢餐具
含铜抗菌不锈钢。基于铜的抗菌原理，利用铜离子抗菌的研究取得了突破性进展。含铜不锈钢于20世纪90年代首先在日本开发成功，包括三大虎将：含铜铁素体、马氏体和奥氏体不锈钢。首先开发的含铜铁素体不锈钢。其含铜量在2%以下。目前这种含铜不锈钢已广泛应用于全自动洗衣机、食品冷藏车、厨房器具等有关设备。随后，开发出含铜马氏体不锈钢和奥氏体系列不锈钢。含铜马氏体不锈钢碳含量高，硬度高，主要制作菜刀和厨房用剪刀。含铜奥氏体不锈钢可应用于厨房、食品和医疗设备和器械。
近年来，中国科学院金属研究所材料学家发明了新型含铜不锈钢[5]。他们在传统不锈钢的基础上添加一定比例的金属铜，通过特殊的热处理加工工艺，使铜原子均匀分散在不锈钢表面及内部，当不锈钢表面溶解出铜离子时就可以实现抗菌功能。铜离子从不锈钢中缓慢释放，可产生长时间抗菌的效果。这种新型含铜不锈钢还有望在医疗领域大显身手，与传统不锈钢医疗器械相比，更能够满足无菌的要求，减少反复消毒处理的麻烦，保证器械在常规条件下的无菌状态[6]。利用这种含铜不锈钢制成的外科植入物（骨钉、骨板等），可以解决植入材料术后的感染问题。在未来，或许可以通过调整铜的含量制造出与患者生理环境更匹配的植入材料，为医疗卫生领域带来福音。抗菌材料的发展和应用前景
除了在不锈钢中加入银和铜以开发抗菌金属材料外，我国的科学家们研制成功了一种口腔牙冠用含铜钴基合金，Cu含量为3.0-5.0%[7]。该钴基合金具有明显的抗口腔细菌感染功能，且无毒副作用，还能够显著降低现有口腔牙冠用钴基合金医疗器械使用中引发的细菌感染风险，可应用于口腔科临床领域中使用的二类钴基合金医疗器械。抗菌材料在旅游、医疗、家庭用品、电器、食品包装等领域有着极其广阔的应用前景，特别是在人们对公共环境卫生质量要求日益提高的今天，抗菌材料的应用受到更加广泛的关注。例如，在医院、幼儿园、养老院以及患者康复中心、商场等这类公共场所，对于各种设施，如门把手、扶手、送饭车、电梯等，使用抗菌不锈钢材料，就能有效防止病菌传播和交叉感染。而针对食堂、食品加工工厂等场所，将抗菌材料应用于餐饮器具、工作台面、洗涤等设施中，将大大降低细菌生长繁殖的几率。从抗菌金属银、铜离子，到抗菌银、铜不锈钢及含铜钴铬合金，抗菌金属材料走进了一个新型功能化的新时期。随着人们健康、环保意识的提高，人们对于抗菌材料的需求也越来越大。各种不同用途的抗菌金属材料，将快速走进生活，为人类的生命健康保驾护航[8]。[1] 抗菌材料，季君晖，史维明，化学工业出版社，2003[2]Cooksey, A. (1994).Molecular mechanisms of copper resistance and accumulation in bacteria. FEMSMicrobiology Reviews, 14(4), 381-386.[3]Alexande, J. W. (2009) History of theMedical Use of Silver. SurgicalInfections, 10(3),289-294.[4]Kristel, M.,Natalie, L., Jacques, M., Simon, S., & Rob, V. H. (2013) Antimicrobialsilver: Uses, toxicity and potential for resistance.BioMetals, 26(4), 609-621.[5] Ren, L., Yang, K., Guo, L., &Chai, H. W. (2012) Preliminary study of anti-infective function of acopper-bearing stainless steel. Materials Science and Engineering C, 32,1204-1209.[6]Svitlana, C., Matthias, E. (2013)Silver as antibacterial agent: Ion, nanoparticle, and metal. AngewandteChemie -International Edition, 52(6), 1636-1653.[7]赵金龙、杨春光、任玲、张书源、孙子晴、杨柯.一种基于3D打印技术制备抗菌钴基牙冠产品的方法,ZL201610182224.8.[8] Shao, Y., Zeng, R., Li, S., Cui,L.,Zou,Y., Guan, S. ZhengY. (2020) Advance in Antibacterial Magnesium Alloys and Surface Coatings onMagnesium Alloys: A Review. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 33(5), 615–629
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我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。目 录