科研進(jìn)展
蘭州化物所智能黏附研究獲新進(jìn)展
自然界中，以壁虎、樹蛙和蝸牛為代表的生物體能通過可逆調(diào)控界面黏附實(shí)現(xiàn)垂直甚至倒立表面的運(yùn)動(dòng)。這種獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)能力源于其快速可逆的黏附狀態(tài)切換機(jī)制。然而，在合成材料體系中實(shí)現(xiàn)高/低黏附態(tài)的快速可逆轉(zhuǎn)換仍面臨挑戰(zhàn)，主要受限于材料雙穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定性、狀態(tài)切換的動(dòng)力學(xué)速率以及兩態(tài)間的黏附性能差異三個(gè)關(guān)鍵因素。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)與西北工業(yè)大學(xué)合作，基于軟物質(zhì)表面分子的動(dòng)態(tài)構(gòu)象轉(zhuǎn)變機(jī)制，發(fā)展了一種具有快速可逆黏附調(diào)控功能的智能水凝膠材料。研究人員通過將Fe3O4納米顆粒的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)（源于帶間電子躍遷和缺陷態(tài)吸收）與N-異丙基丙烯酰胺的溫敏特性相耦合，成功實(shí)現(xiàn)了近紅外光遠(yuǎn)程控制的黏附性能可逆切換。
圖1.?智能水凝膠的設(shè)計(jì)與制備
研究人員進(jìn)一步揭示了其作用機(jī)制，通過近紅外光激發(fā)納米顆粒產(chǎn)生熱效應(yīng)，誘導(dǎo)水凝膠發(fā)生溫度響應(yīng)性相變，實(shí)現(xiàn)軟物質(zhì)表面水分子的滲出/吸收，改變其表面親水羧酸基團(tuán)的分子構(gòu)象，進(jìn)而可逆地控制鄰苯二酚基團(tuán)的屏蔽和暴露。這種基于界面分子構(gòu)象變化調(diào)控的黏附機(jī)制具有無殘留、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，為智能黏附材料的開發(fā)提供了新思路。
圖2.?水凝膠黏附性能變化的表面潤濕性機(jī)制
該智能水凝膠的黏附行為表現(xiàn)出顯著的溫度響應(yīng)特性。在高溫相（>LCST），表面水化作用促使羧酸基團(tuán)遷移至界面，有效屏蔽兒茶酚基團(tuán)，導(dǎo)致界面相互作用顯著減弱（黏附強(qiáng)度<0.3 kPa）。而在低溫相（<LCST），兒茶酚基團(tuán)充分暴露，界面相互作用形成，呈現(xiàn)高黏附狀態(tài)（黏附強(qiáng)度>7.5 kPa）。系統(tǒng)研究表明，增加界面載荷和接觸時(shí)間都僅能促進(jìn)低溫狀態(tài)下的界面黏附，而對(duì)高溫黏附性能無顯著影響，這也進(jìn)一步證明了高溫條件下界面水對(duì)相互作用形成的有效屏蔽作用。
此外，該黏附水凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的智能黏附性能和廣泛的基材適用性，實(shí)現(xiàn)了從無機(jī)到有機(jī)材料表面的可逆黏附。為進(jìn)一步驗(yàn)證黏附水凝膠材料的可控性，研究人員實(shí)驗(yàn)演示了水凝膠在不銹鋼基板上的光熱響應(yīng)行為，初始狀態(tài)下可穩(wěn)定懸掛50g重物，近紅外光照后因黏附性能切換而黏附失效。
圖3.?智能水凝膠的光控脫黏試驗(yàn)
上述研究，成功發(fā)展了一種具有光熱響應(yīng)特性的智能水凝膠材料。通過協(xié)同整合溫敏性聚合物網(wǎng)絡(luò)與光熱納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了材料黏附性能的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控。該材料體系在創(chuàng)面修復(fù)、柔性電子器件和軟體機(jī)器人等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景，為智能黏附材料的設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。
相關(guān)研究成果以“Light-controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion”為題發(fā)表在Chem & Bio Engineering上。同時(shí)，該成果已被美國化學(xué)學(xué)會(huì)發(fā)行的新聞周刊chemical?&?engineering?news（C&EN，全球最具權(quán)威和影響力的化學(xué)新聞來源之一。）以“New?hydrogel?offers?light-controlled?reversible?stickiness”為題報(bào)道。
以上工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項(xiàng)目的支持。
