CoreSpin：以蛋白革新换热器，打造更高效的换热设备

通过融合生物学与工程技术，CoreSpin 团队正在研发一种基于蛛丝的涂层材料，可附着于铜材表面、抑制生物污垢、恢复换热器换热效率。该技术在铜表面铺设一层工程化蛛丝蛋白单分子层，可降低暖通空调（HVAC）、数据中心等风冷系统的能量损耗，同时维持最佳导热性能。

大家好，我们是 CoreSpin 团队，由来自马斯特里赫特大学的 14 名学生组成，成员来自 16 个国家，拥有生物学、化学、工程学、计算机科学等多元专业背景。出于好奇心，以及搭建实验室技术与现实应用桥梁的共同愿景，我们正探索生物学如何重塑工程领域。

我们的项目将生物思维带入一个极少涉足的领域 —— 热工程。团队正在研发一种导热纳米涂层，覆盖于换热表面，以应对生物污垢、灰尘与沉积物堆积问题。

从全新视角开展工程研发：合成生物学

合成生物学正悄然改变现代生活，从日常食品到医用药物，无处不在。该学科通过改造天然生物，强化其原有功能或创造全新功能。作为生物学、工程学、化学、物理学、计算机科学的交叉学科，合成生物学整合多领域知识，设计并构建具备特定用途的生物系统。

受自然界启发，合成生物学为打造更可持续的循环经济提供创新路径。通过融合多学科原理，我们得以重新思考材料与系统的设计方式，即便在传统上与生物学无关的领域也能实现突破。

热工程就是其中之一，生物理念可为该行业长期存在的工业难题提供创新解决方案。

注：改编自 Hallinan, J. S. 等人 (2019)《面向未来的合成生物学：培养下一代人才》，《工程生物学》，3 (2)，25‑31。

我们从大自然中获取灵感，重点借鉴蛛丝的优异特性，改造可直接附着于铜材的工程蛋白，精准优化蛋白序列，实现最佳机械强度、导热性能与纳米级微观结构。

现代生活的基石：换热器

为明确这项创新的应用价值，我们将目光投向现代生活中极易被忽视、却不可或缺的核心设备 —— 换热器。它用于冷却汽车发动机、保障冰箱运行、调控建筑室温，同时是数据中心冷却系统的核心部件。事实上，工业生产中超过 90% 的热能，在加工完成前至少经过一次换热器。因此，换热器不仅保障各类系统稳定运行，更对提升整体能源效率起到关键作用。

在走访当地医院能源中心期间，我们与技术人员、管理人员交流，了解到该领域的一大核心难题：换热器结垢。这次交流让我们切实认识到问题的严峻性，也明确了项目的实际应用意义。

行业痛点：换热器表面的细菌、灰尘与沉积物

液‑气式换热器将液体热量传递至周围空气。但由于设备运行在布满灰尘、碎屑、细菌的开放环境中，极易产生生物污垢、腐蚀与沉积物堆积。例如，细菌会附着在导热表面，形成黏液状生物膜。看似微小的生物污垢，却会大幅降低铜材的导热性能：仅发丝厚度的生物膜，就可使换热效率下降高达 98%。此外，细菌会加速自然腐蚀，长期使用会破坏材料表面，使热效率降低 20% 以上；灰尘与沉积物堆积会进一步导致导热性能下降 30%。

这些问题叠加，会干扰换热器正常运行、大幅降低换热效率。为弥补效率损耗，系统需超负荷运转，消耗更多能源，排放更多温室气体。

现有的清洁方式仅能短期缓解问题，且多依赖刺激性化学药剂，存在健康风险、消耗大量资源；设备维护还会造成停机、增加运营成本。因此，企业往往选择直接报废老旧部件，而非维护保养，进一步加剧资源损耗与废弃物产生。

注意。 改编自Fryer， M.（2024年7月22日）。热交换器中的污垢：了解原因、检测与预防。CSI设计。检索于2025年10月22日，来自 https://www.csidesigns.com/blog/articles/fouling-in-heat-exchangers?srsltid=AfmBOopNT832FlFDBBFmLdm9z7G6BCcvyAgnR-OnI8Goqz9-usmxg5IN

注：改编自 Fryer, M.(2024‑07‑22)《换热器结垢：成因、检测与预防》，CSI Designs。

解决方案：融合自然与科技，开创高效未来

为突破现有清洁与维护技术的局限，我们寻找兼具导热性与自清洁特性的生物材料，蛛丝成为这种多功能材料的天然范本。

蜘蛛可分泌多种蛛丝，用于蛛网的不同部位。其中 ** 牵引丝（主壶腹丝）** 备受关注。作为蛛网的承重结构，其特殊蛋白赋予它优异性能：强度堪比钢材、韧性是凯夫拉纤维的 3 倍、弹性为尼龙的 5 倍；同时蛛丝导热性能极佳，与铜材接近。

注：改编自 Liu, X. & Zhang, K.(2014)《蚕丝纤维 —— 分子形成机理、结构‑性能关系及前沿应用》，InTech 电子书。

蛋白与铜材表面的结合

尽管蛛丝具备出色的强度与导热性，但其天然蛋白（蛛丝蛋白）本身无法附着于金属，这是我们设计的核心难题。为将蛛丝特性转化为实用涂层，我们需要让蛋白直接锚定在铜表面 —— 选择铜材是因其导热性优异、晶体结构稳定。

为此，我们在蛋白序列中额外引入半胱氨酸残基。该残基的巯基可形成铜‑硫共价键，实现蛋白层与金属表面的分子级紧密连接。这种化学键对声子耦合至关重要，可实现热量从铜材向蛛丝蛋白原纤维的传递。若无此连接，金属与蛋白层之间会存在微观间隙，滞留空气，使涂层变为隔热层，丧失导热功能。

除保障高效导热外，这种共价连接还可构建纳米级表面结构，赋予涂层抗菌能力。

自清洁原理：微观形貌杀灭细菌、阻隔灰尘

蛋白成功附着于铜表面后，我们进一步通过工程设计优化其结构，拓展附加功能。通过调控涂层的纳米级微观形貌，复刻天然表面特性，在维持导热性能的同时，抵御细菌滋生与污染物附着。

我们再次从自然界寻找灵感 —— 蜻蜓与蝉的翅膀。这类昆虫表面具备纳米结构，依靠尺寸排斥原理天然抵御细菌附着：当表面微观结构尺寸小于细菌时，细菌可附着的面积大幅缩减。

其翅膀布满垂直于表面的有序纳米柱阵列。细菌尝试附着时，纳米柱会拉伸、刺破细菌细胞膜，导致细菌裂解死亡。这种纯物理机制，让我们的纳米涂层无需化学药剂、抗生素即可实现抗菌效果。

注：改编自 Oopath, S. V. 等人 (2022)《仿生纳米结构表面调控细菌附着与生物膜形成》，《先进材料界面》，10 (4)。

研究推测，灰尘与沉积物也受此原理影响：有序纳米柱结构阻碍污染物沉降，使表面具备自清洁效果。

原型搭建：真实场景测试平台

基于天然纳米结构的研究成果，我们搭建实验装置，制备生物工程涂层原型，在模拟真实换热器的可控条件下，定量评估涂层的导热性、抗结垢性与抗菌性能。

实验装置用于测试三种状态下铜换热板的热传递效率：

1. 未处理的纯铜板
2. 滋生生物膜的铜板
3. 涂覆改性蛛丝蛋白的铜板

实验旨在模拟液‑气换热器的真实结垢环境，测试表面涂层对热性能的影响。

整套实验装置分为三部分：量热系统、专用换热器盖板、气流与环境控制系统。

量热系统

量热杯是基础热力学实验设备，由隔热材质制成，作为本实验的主要储热容器。实验时向杯中注入 100℃热水，测量区间为 80℃‑40℃，保证初始热梯度稳定。

精度 ±0.1℃的温度探头浸入水中，持续监测、记录水温；杯体通过专用盖板密封，减少蒸发散热，同时作为水与环境空气的换热界面。

换热器总成

我们将盖板总成设计为模块化热传递界面，适配真实换热环境下的蛋白测试，由 3 个精密加工部件组成：

1. 15 根 84 毫米 M4 螺纹铝棒：负责将水体热量传递至盖板表面。铝材导热性与性价比优异，可实现快速、低成本实验。
2. 定制加工铝制盖板：预留 15 个铝棒螺纹接口，顶面铣出 6 条导轨，保障铝棒与换热板之间高效换热。
3. 6 块 1 毫米厚铜换热板：安装于导轨内，将热量从盖板传递至环境空气。铜材的晶体结构可与蛋白稳定结合，保障热量传导。

铝棒、盖板、铜板的所有接触面均涂抹导热硅脂与高温胶，最大限度降低界面热阻，提升导热效率。

设计理念与限制条件

盖板设计兼顾可制造性与模块化；受项目资金限制，优先选用五金店可采购的量产通用材料，仅盖板需定制 CNC 加工，便于有限资金下的复制与规模化生产。

核心设计考量：

• 适配标准量热杯，保障热密封：设计外径 100 毫米、内凹底座 75 毫米的双直径接口，实现紧密贴合，减少热量损耗；
• 底部排布铝棒阵列，保障热量从流体稳定向上传导至导热盖板；
• 铜板数量可调节、可更换，支持多块平行排布测试。

实验设计

铜板作为测试基材，用于评估抗结垢、导热蛋白的性能，分为三组：

• 空白对照组：不做任何处理
• 污染组：人为培育生物膜、沉积污染物，模拟真实工况
• 涂层实验组：涂覆工程化蛋白，对比实际导热效率与抗结垢能力

这种模块化、热力学优化的设计，可定量评估生物涂层对换热性能的影响，是研发可持续、高效仿生换热器材料的第一步。

气流与环境控制

整套换热总成置于密封塑料舱内，减少意外误差；整体放置于通风橱，稳定湿度与进风温度。舱内安装直流轴流风扇，加快空气流经铜板，模拟真实强制对流工况。

风扇与导热铜板之间布设两个监测传感器，保障三组子实验环境一致：温度传感器监测进风温度，压力传感器验证恒定体积流量。

该配置可量化空气侧吸热量，同时保证各组实验边界条件稳定。

CoreSpin – 原型装配装置

从原型走向实际应用

目前，我们已成功表达工程蛋白，并实现蛋白与铜材的稳定结合。下一阶段，我们将评估纳米涂层的抗菌性能，验证技术可规模化应用的可行性。

借助模块化原型系统，测试涂覆后铜板的导热性能，在可控气流、湿度、结垢环境下模拟实际工况，量化对比未处理、结垢、涂覆蛋白的铜材在换热效率、抗结垢性、耐用性上的差异。

最终，我们计划将蛋白涂层应用于全尺寸换热器，在真实系统中验证热性能，实现暖通空调、数据中心的落地应用。CoreSpin 团队希望将全新生物解决方案带入传统热工程领域，以创新技术赋能高效节能的未来。