仿生水下可逆黏附材料研究獲進(jìn)展

大多數(shù)膠黏劑在空氣中具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度，而在水中卻很快喪失效果，這是因?yàn)樗肿舆M(jìn)入粘合界面處對(duì)膠黏劑分子產(chǎn)生水化/溶脹/降解作用，從而使得粘接性能迅速喪失。因此，水下高黏附材料一直是工程材料領(lǐng)域的研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)?？蒲腥藛T通過(guò)仿生多巴胺、界面超分子作用、聚電解質(zhì)絡(luò)合作用等手段，發(fā)展了不同類(lèi)型的水下黏附材料，但很難實(shí)現(xiàn)材料的水下可逆黏附性調(diào)控。

近日*蘭州化學(xué)物理研究所周峰課題組與香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)課題組合作，設(shè)計(jì)制備了一種仿生水下“膠水”，該材料不僅在水下具有較強(qiáng)的黏附性，更重要的是，其在水下的黏附強(qiáng)度可以通過(guò)控制界面溫度進(jìn)行可逆調(diào)節(jié)。

該材料體系設(shè)計(jì)理念來(lái)源于貽貝足絲在水下具有高黏附強(qiáng)度和水下粘合劑快速失效。為了使材料具備水下高粘附性，研究人員首先制備了一種水下黏附性聚合物，即將黏附性多巴胺分子與疏水單體聚合制備仿生黏附性線性聚合物；為了實(shí)現(xiàn)水下黏附強(qiáng)度的可調(diào)節(jié)性，又設(shè)計(jì)制備了一種溫度響應(yīng)性聚合物（聚N-異丙基丙烯酰胺），該聚合物在低于其相轉(zhuǎn)變溫度條件下與水分子形成分子間氫鍵而呈現(xiàn)高度水化狀態(tài)，在高于其相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)形成分子內(nèi)氫鍵而呈現(xiàn)去水化狀態(tài)。因此，依據(jù)水下膠黏劑失效原理，將此種響應(yīng)性分子覆蓋到黏附分子表面。通過(guò)調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)界面處分子的水化與去水化，可以實(shí)現(xiàn)水下黏附可逆調(diào)控。

為了能夠使響應(yīng)性分子順利均勻組裝到黏性聚合物表面，在上述兩種聚合物體系中引入超分子主客體，通過(guò)分子識(shí)別作用，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性聚合物在黏附性聚合物表面的組裝。該材料體系的水下黏附強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)理如圖1所示。通過(guò)微/宏觀黏附性測(cè)試證實(shí)，在較高溫度下該材料表面具有較高的水性黏附強(qiáng)度，而在室溫環(huán)境下幾乎沒(méi)有任何黏附。這種高黏附-低黏附強(qiáng)度轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)，幾乎不損失其水下黏附強(qiáng)度（圖2）。

此外，該材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：不受基底材料的限制，在各類(lèi)材料表面均具有水下黏附強(qiáng)度可逆調(diào)控性能；通過(guò)增加表面粗糙度即可提升材料黏附強(qiáng)度；通過(guò)調(diào)節(jié)溫敏高分子組成改變其zui低相轉(zhuǎn)變溫度，可實(shí)現(xiàn)黏附強(qiáng)度溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)的調(diào)節(jié)等。

相關(guān)研究成果以Bio-inspired reversible underwater adhesive為題，發(fā)表在Nature Communications上，研究工作得到了自然科學(xué)基金委、香港研究基金會(huì)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院、深圳*及香港城市大學(xué)等的支持。(生物谷Bioon.com）