由馬薩諸塞大學阿默斯特分校工程師領導的一組研究人員創造了發射紫外線 (UV) 的玻璃，可以減少 98% 水下環境表面生長的生物膜，正如雜誌報道的生物膜。

生物膜是生長在潮濕表面上的各種微生物的黏液層。「如果你向下看水槽並觸摸它的內側，那麼黏稠的物質就是生物膜，」土木與建築學助理教授瑪麗安娜·蘭扎里尼-洛佩斯 (Mariana Lanzarini-Lopes) 說。環境工程麻省大學阿默斯特分校的教授，也是這篇論文的通訊作者。

生物膜是水下應用的一個重要議題。美國海軍估計，生物膜每年造成艦隊 1.8 至 2.6 億美元的損失。所有水下表面上的生物膜生長都會增加船舶的阻力和隨後的燃料消耗，以及船舶或海洋設備的腐蝕損壞。

生物膜還會使用於相機和其他依賴透明度的感測設備的窗戶起霧，並跨越海洋運輸非本地物種。

目前處理生物膜的解決方案依賴化學製劑，例如殺菌塗層來殺死生物體或不沾塗層來首先防止生物膜附著。然而，這些方法可能會對生態系統產生負面影響，而且只能持續很短的時間。

作為這些的替代方案化學方法麻省大學阿默斯特分校團隊利用 UVC 輻射開發了防生物膜玻璃，這是消毒波長最短、最有效的 UV 輻射。

洛佩斯的實驗室已經證明，紫外線發射光纖可以在小通道中分佈 UVC 輻射，例如醫療設備（即內視鏡、導管和呼吸器）、家用設備（咖啡機和冰箱）以及儲水/分配系統（管道、氣囊、膜），以滅活病原微生物並防止細菌在表面生長。

「很多人都知道紫外線可以對錶面、空氣和水進行消毒，」洛佩茲說。“人們開始更多地使用它，特別是因為它對 SARS-CoV-2 病毒的消毒確實有效。”

然而，在水下環境中，這並不像將紫外線照射到玻璃上那麼簡單。洛佩斯實驗室的博士後研究員兼該研究的主要作者 Leila Alidokht 表示，出於多種原因，「我們無法使用傳統光源將光線均勻地分佈在表面」。當光線遠離光源時會變得更弱，因此難以覆蓋大面積的表面積。紫外線波也會因周圍水體的混濁程度而受到干擾。

紫外線的不均勻分佈給形成生物膜的微生物提供了立足點，並使整個表面變得脆弱：「如果生物膜可以附著在表面的一部分上，它就可以擴散到其他部分，」她補充道。

該團隊的解決方案是在玻璃上塗上二氧化矽奈米粒子塗層。「UV LED 從玻璃的橫截面連接，」Alidokht 描述道。「當紫外線進入玻璃時，我們使用這些光散射奈米顆粒將紫外線從玻璃內部散射到外部」。二氧化矽不吸收紫外線。波繼續從奈米顆粒上反射並穿過玻璃內部，從而形成均勻的“發光”玻璃表面。

為了對其進行測試，研究人員與佛羅裡達理工學院和海軍合作，將這種發射紫外線的玻璃浸入佛羅裡達州卡納維拉爾港的水域中 20 天。與未經處理的玻璃相比，這種玻璃可減少 98% 的可見生物膜生長。

「與外部紫外線照射技術相反，紫外線發射玻璃直接抑制目標表面生物膜的形成——表面本身就是紫外線源，」Alidokht 說。

她很高興這項發現為多種消毒應用打開了大門。她說：“所開發的技術可用於透明表面的消毒，例如船窗、浮球和繫泊浮標、海洋學、農業和水處理應用中的相機鏡頭和感測器。”

該團隊已為其發現獲得了臨時專利。

現在，該團隊已經證明這種玻璃可以有效地抵抗生物膜形成（稱為生物污垢），他們很高興能夠優化他們的發現：測試長期應用，評估對環境的影響並創造更大的表面積。

未來的另一個探索途徑：「我們也在努力防止生物膜「在相機鏡頭上，」洛佩茲補充道。 」

更多資訊：Leila Alidokht 等人，紫外線發射玻璃：透明表面生物膜抑制的一種有前景的策略，生物膜（2024）。DOI：10.1016/j.bioflm.2024.100186