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(shù)蛙和蝸牛為代表的生物體能通過(guò)可逆調控界面黏附實(shí)現垂直甚至倒立表面的運動(dòng)。這種獨特的運動(dòng)能力源于其快速可逆的黏附狀態(tài)切換機制。然而，在合成材料體系中實(shí)現高/低黏附態(tài)的快速可逆轉換仍面臨挑戰，主要受限于材料雙穩態(tài)的穩定性、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)驗室周峰研究員團隊與西北工業(yè)大學(xué)合作，基于軟物質(zhì)表面分子的動(dòng)態(tài)構象轉變機制，發(fā)展了一種具有快速可逆黏附調控功能的智能水凝膠材料。研究人員通過(guò)將Fe3O4納米顆粒的光熱轉換效應（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)現了近紅外光遠程控制的黏附性能可逆切換。
圖1.?智能水凝膠的設計與制備
研究人員進(jìn)一步揭示了其作用機制，通過(guò)近紅外光激發(fā)納米顆粒產(chǎn)生熱效應，誘導水凝膠發(fā)生溫度響應性相變，實(shí)現軟物質(zhì)表面水分子的滲出/吸收，改變其表面親水羧酸基團的分子構象，進(jìn)而可逆地控制鄰苯二酚基團的屏蔽和暴露。這種基于界面分子構象變化調控的黏附機制具有無(wú)殘留、可重復使用的特點(diǎn)，為智能黏附材料的開(kāi)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制
該智能水凝膠的黏附行為表現出顯著(zhù)的溫度響應特性。在高溫相（>LCST），表面水化作用促使羧酸基團遷移至界面，有效屏蔽兒茶酚基團，導致界面相互作用顯著(zhù)減弱（黏附強度<0.3 kPa）。而在低溫相（<LCST），兒茶酚基團充分暴露，界面相互作用形成，呈現高黏附狀態(tài)（黏附強度>7.5 kPa）。系統研究表明，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，而對高溫黏附性能無(wú)顯著(zhù)影響，這也進(jìn)一步證明了高溫條件下界面水對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出優(yōu)異的智能黏附性能和廣泛的基材適用性，實(shí)現了從無(wú)機到有機材料表面的可逆黏附。為進(jìn)一步驗證黏附水凝膠材料的可控性，研究人員實(shí)驗演示了水凝膠在不銹鋼基板上的光熱響應行為，初始狀態(tài)下可穩定懸掛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
上述研究，成功發(fā)展了一種具有光熱響應特性的智能水凝膠材料。通過(guò)協(xié)同整合溫敏性聚合物網(wǎng)絡(luò )與光熱納米顆粒，實(shí)現了材料黏附性能的遠程精準調控。該材料體系在創(chuàng )面修復、柔性電子器件和軟體機器人等新興領(lǐng)域展現出重要的應用前景，為智能黏附材料的設計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，全球最具權威和影響力的化學(xué)新聞來(lái)源之一。）以“New?hydrogel?offers?light-controlled?reversible?stickiness”為題報道。
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目的支持。
