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  一直以來(lái)，粘接都被廣泛應(yīng)用于工程、醫(yī)療、日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。常見(jiàn)的粘合劑包括丙烯酸樹(shù)脂、硅膠、聚氨酯、聚醋酸乙烯酯（白膠水）、環(huán)氧樹(shù)脂、氰基丙烯酸酯（萬(wàn)能膠）等，它們適用于玻璃、陶瓷、塑料、金屬等不含水的硬材料。在應(yīng)用時(shí)，液態(tài)粘合劑浸潤(rùn)粘接材料間的界面，然后固化形成一層致密的玻璃態(tài)高分子層。這一高分子層與粘接材料表面進(jìn)一步形成致密的非共價(jià)相互作用，從而達(dá)到強(qiáng)力粘接。由此產(chǎn)生的粘接界面只能承受小變形，在大變形下界面極易斷裂。當(dāng)粘接物為可拉伸軟材料時(shí)，這些傳統(tǒng)的粘接方法極大地限制了材料的可變形范圍并且極易導(dǎo)致軟材料本身的破壞（圖1a）。

  與傳統(tǒng)粘接機(jī)理不同，可拉伸材料間的粘接可以由連接界面稀疏且強(qiáng)韌的共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)。這樣粘接的可拉伸軟材料（如橡膠、凝膠等）在受到拉伸時(shí)，平行于界面的變形僅僅拉伸共價(jià)鍵之間的高分子鏈，而共價(jià)鍵不會(huì)被破壞；變形結(jié)束后，這些高分子鏈與軟材料一同恢復(fù)它們的初始構(gòu)型（圖1b）。粘接材料與界面的共價(jià)鍵均保持完整。這樣的粘接界面稱為可拉伸界面。

圖1. 不可拉伸界面與可拉伸界面。

  除了界面共價(jià)鍵之外，還有很多高分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣可以達(dá)到可拉伸粘接（圖2，[1]）。然而，一個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題仍然有待回答：如何系統(tǒng)地表征、研究可拉伸粘接？

  為了回答這個(gè)問(wèn)題，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組首次提出了可拉伸粘接的兩種系統(tǒng)表征方法：（1）對(duì)粘接后的材料進(jìn)行單次或循環(huán)預(yù)拉伸加載，然后在卸載后測(cè)量界面的粘接能，研究其隨加載歷史的變化；（2）對(duì)粘接后的材料在拉伸狀態(tài)下直接測(cè)量界面的粘接能，研究其隨拉伸作用時(shí)間、大小的變化。當(dāng)粘接能不隨材料的加載歷史或拉伸狀態(tài)而顯著改變，且粘接后的材料能夠達(dá)到要求的可拉伸范圍時(shí)，此種粘接方法即為可拉伸粘接。

圖2. 幾種可實(shí)現(xiàn)可拉伸粘接的高分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。

  研究人員將以上的表征方法應(yīng)用于殼聚糖的拓?fù)湔辰樱?strong>圖3，[2]），并證明了拓?fù)湔辰訛橐环N可拉伸粘接。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，無(wú)論采取第一種還是第二種表征方法（圖4，圖5），殼聚糖拓?fù)湔辰拥恼辰幽茉诩?卸載后，或不同拉伸狀態(tài)下，都能維持在一個(gè)較高且穩(wěn)定的數(shù)值，與初始測(cè)得的粘接能接近。

圖3. 殼聚糖拓?fù)湔辰臃ǖ臋C(jī)理[2]。

圖4. 可拉伸粘接的第一種表征方法：對(duì)粘接后的材料進(jìn)行單次或循環(huán)預(yù)拉伸加載，然后在卸載后測(cè)量界面的粘接能，研究其隨加載歷史的變化。

圖5. 可拉伸粘接的第二種表征方法：對(duì)粘接后的材料在拉伸狀態(tài)下直接測(cè)量界面的粘接能，研究其隨拉伸作用時(shí)間、大小的變化。

  研究人員進(jìn)一步研究了殼聚糖實(shí)現(xiàn)可拉伸粘接的力學(xué)機(jī)制。他們首先把一層殼聚糖溶液涂抹在一層聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠上以形成殼聚糖-水凝膠拓?fù)湔辰拥膬蓪硬牧辖Y(jié)構(gòu)。當(dāng)這一兩層結(jié)構(gòu)置于單軸拉伸下，他們清楚地觀察到殼聚糖網(wǎng)絡(luò)層隨著拉伸逐漸形成多處橫向裂紋。相應(yīng)的力-拉伸曲線展現(xiàn)出鋸齒形行為，而這里每個(gè)力的下降則表明了每次殼聚糖層的斷裂（圖6）。

圖6. 殼聚糖層在拉伸下的力學(xué)行為。

  盡管這層殼聚糖網(wǎng)絡(luò)整體在多處斷裂，其局部未斷裂的網(wǎng)絡(luò)依然與兩層水凝膠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浼m纏，從而保持了整體的強(qiáng)力粘接。當(dāng)拉伸結(jié)束后，這些未斷裂的網(wǎng)絡(luò)隨著拉伸回到初始狀態(tài)，仍然保持著拓?fù)浼m纏（圖7）。從而，無(wú)論是在拉伸或者是卸載狀態(tài)下，殼聚糖網(wǎng)絡(luò)始終保持著對(duì)粘接網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼m纏，粘接能始終保持穩(wěn)定。

圖7. 殼聚糖拓?fù)湔辰涌衫斓奈锢頇C(jī)制。

  隨著可拉伸軟材料的大面積研究與應(yīng)用，作者呼吁，材料界面粘接的可拉伸性應(yīng)該作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)理念與指標(biāo)。作者希望本文提出的可拉伸粘接的表征方法能夠在更多粘接體系下獲得應(yīng)用，并進(jìn)一步為界面流變學(xué)研究提供幫助。

  該研究工作近期發(fā)表于固體力學(xué)頂級(jí)期刊Extreme Mechanics Letters。楊加偉博士（哈佛大學(xué)博士，波士頓兒童醫(yī)院、麻省理工學(xué)院博士后）和Jason Steck（哈佛大學(xué)在讀博士）為文章共同第一作者，白若冰博士（哈佛大學(xué)博士，加州理工學(xué)院博士后，美國(guó)東北大學(xué)助理教授）為文章共同作者，鎖志剛教授（哈佛大學(xué)教授，美國(guó)科學(xué)院、工程院院士）為文章通訊作者。

  參考文獻(xiàn)

  [1] Yang, J., Bai, R., Chen, B., & Suo, Z. (2020). Hydrogel adhesion: A supramolecular synergy of chemistry, topology, and mechanics. Advanced Functional Materials, 30(2), 1901693.

  [2] Yang, J., Bai, R., & Suo, Z. (2018). Topological adhesion of wet materials. Advanced Materials, 30(25), 1800671.

  論文信息與鏈接

  Jiawei Yang, Jason Steck, Ruobing Bai, Zhigang Suo, Topological adhesion II. Stretchable adhesion, Extreme Mechanics Letters, Volume 40,2020,100891

  https://doi.org/10.1016/j.eml.2020.100891

招生信息

  白若冰博士將于2021年1月加入美國(guó)東北大學(xué)機(jī)械與工業(yè)工程系擔(dān)任助理教授。課題組計(jì)劃在固體力學(xué)，仿生材料，生物材料，活性軟材料，以及軟體機(jī)器人方面做跨學(xué)科研究，以理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為主。目前課題組經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室空間充足，在波士頓及周邊也已有很多待開(kāi)展的合作。課題組現(xiàn)招收多名博士研究生，2021年春季或秋季入學(xué)。課題組也歡迎各個(gè)方向的訪問(wèn)學(xué)生和學(xué)者。感興趣的老師、同學(xué)可訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)https://sites.google.com/view/ruobingbai/home了解以往的研究工作，或直接郵件聯(lián)系 ruobing1220@gmail.com 詢問(wèn)。

  美國(guó)東北大學(xué)目前US News全美排名：#31 in Best Graduate Engineering School, #40 in National Universities, and #1 in Best Co-op/Internships。學(xué)�？蒲型度肓Χ却�，并和工業(yè)界合作緊密。東北大學(xué)坐落于波士頓市中心，臨近波士頓大學(xué)、麻省理工、哈佛大學(xué)、波士頓學(xué)院、塔夫茨大學(xué)等，非常容易建立聯(lián)系。波士頓為美國(guó)一流的科技、文化、教育中心，極具包容性，是生活與就業(yè)的理想選擇。