水下粘附能力是在水環(huán)境中應(yīng)用的材料的極其理想的屬性。自然生物展示了大量的化學(xué)和物理機(jī)制，用于在各種表面上進(jìn)行水下粘附，例如，牡蠣中廣為研究的兒茶酚化學(xué)，沙堡蟲中的復(fù)雜混凝，攀壁魚中的六邊形表面結(jié)構(gòu)和吸盤以及章魚的吸盤等。另一方面，可切換的水下粘附材料具有廣泛的應(yīng)用潛力，包括貨物運(yùn)輸、外科手術(shù)、局部藥物傳遞、可穿戴電子設(shè)備、夾爪以及動(dòng)態(tài)附著和運(yùn)動(dòng)等。盡管最近的研究在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)方面取得了一些進(jìn)展，但目前的策略存在一些內(nèi)在限制，例如高殘留附著力，切換過程中涉及固液相轉(zhuǎn)換，或粘合劑的薄膜結(jié)構(gòu)等。
近日，芬蘭阿爾托大學(xué)的研究人員在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上發(fā)表關(guān)于可切換高效水下黏附水凝膠的工作。本研究報(bào)道了一種包含多巴胺共聚物的通道式聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝膠，通過在水凝膠內(nèi)部引入微觀通道，它可以在親水性和疏水性表面上進(jìn)行溫控可逆地高效切換水下附著力。阿爾托大學(xué)的Olli Ikkala教授和芬蘭科學(xué)院博士后研究員張航博士為本文的聯(lián)合通訊作者。
具有微觀通道的水凝膠
由于微觀通道的存在，水分子在ch-dopa-PNIPAm中能夠更有效地進(jìn)入或離開與接觸面的交界處，從而大大減少了界面水層，提高了水凝膠的粘附性。這類似于先前報(bào)道的表面結(jié)構(gòu)，但通道的形成貫穿整個(gè)水凝膠，使得其粘附性能不易受到表面損傷的影響。掃描電鏡(SEM)使用冷凍干燥的水凝膠證實(shí)了在常溫和高溫下ch-dopa-PNIPAm水凝膠中存在大量孔隙結(jié)構(gòu)，尺寸在1到5 μm之間，而dopa-PNIPAm中的孔隙尺寸則在亞微米級(jí)別。粘附轉(zhuǎn)換是通過PNIPAm在溫度變化時(shí)的親疏水性轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。在LCST以上，PNIPAm處于疏水狀態(tài)，有利于水分子從界面中除去，從而通過鄰二酚基團(tuán)形成的氫鍵與玻璃表面形成更高的粘附力。類似的效應(yīng)已在貽貝膠黏蛋白中被報(bào)道過。
圖1. 高效可切換水下黏附水凝膠。
圖2. 本文系統(tǒng)（a）與已報(bào)道可切換黏附系統(tǒng)對(duì)比。
圖2將本文系統(tǒng)與已報(bào)道系統(tǒng)進(jìn)行了四個(gè)參數(shù)的對(duì)比，分別為切換效率、高附著狀態(tài)下的最大粘著應(yīng)力、切換過程中的材料狀態(tài)（固態(tài)或液態(tài)）、以及材料形態(tài)（體塊或薄膜）。值得注意的是，當(dāng)前系統(tǒng)是首個(gè)在不經(jīng)歷固-液（溶膠-凝膠）轉(zhuǎn)變的塊體固體材料中實(shí)現(xiàn)高切換效率（和粘著強(qiáng)度的系統(tǒng)。如介紹中所討論的，膠片狀粘合劑的可變形性很大程度上取決于支撐材料，例如Zhao等人和Ma等人所報(bào)道的，這限制了它們?cè)谝?guī)則和不易破碎的表面上的使用，盡管其具有出色的切換效率。另一種策略是利用材料的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，如Xu等人和Dompé等人所報(bào)道的，這也可以提供接近1的切換效率。然而，在水環(huán)境中，材料在溶膠狀態(tài)下會(huì)溶解，從而限制了它們的重復(fù)使用和持續(xù)操作。Wang等人報(bào)告了一種基于光和溫度控制的蒽二聚物化學(xué)反應(yīng)的粘附系統(tǒng)，其具有極高的粘著強(qiáng)度（130-340 kPa），但是這種系統(tǒng)在低粘著狀態(tài)下（存在明顯殘留粘著力，因此切換效率較低（0.35-0.6），這限制了其用于釋放輕質(zhì)和易碎物體的應(yīng)用。目前采用的通道策略因此具有以下優(yōu)勢：（1）具有高切換效率和粘著強(qiáng)度；（2）在切換過程中保持為塊體固體材料，不會(huì)在水中溶解，確保了其可重復(fù)使用和持續(xù)操作；（3）作為軟性體塊材料，能夠容納大變形和不規(guī)則表面，用于易碎物體的粘附和釋放。
可切換黏附凝膠用于物體的捕獲與釋放
圖3.可切換黏附凝膠用于物體的捕獲與釋放。
小結(jié)
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214091
作者簡介
Olli Ikkala教授，本文通訊作者。芬蘭阿爾托大學(xué)杰出教授Distinguished Professor。主要研究方向包括學(xué)習(xí)型材料，非平衡態(tài)自組裝，和生物啟發(fā)材料。兩次獲得歐洲研究理事會(huì)ERC Advanced Grant。曾擔(dān)任芬蘭科學(xué)院Center of Excellence HYBER的主要負(fù)責(zé)人，現(xiàn)任Center of Excellence LIBER成員。Ikkala教授發(fā)表文章超過340篇，H-index達(dá)到78，被引用超過22000次。
主頁：https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/molecular-materials-molmat
張航博士，本文通訊作者。本科和碩士分別畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程，和德國亞琛工業(yè)大學(xué)化學(xué)專業(yè)。2017年在位于亞琛的萊布尼茨交互材料研究所獲得博士學(xué)位，課題為基于水凝膠的光驅(qū)動(dòng)軟微機(jī)器人。隨后在芬蘭的阿爾托大學(xué)Olli Ikkala教授課題組進(jìn)行博士后研究。2020年獲得芬蘭科學(xué)院博士后基金并工作至今。研究方向主要包括新型水凝膠，納米顆粒自組裝、以及光驅(qū)動(dòng)軟物質(zhì)系統(tǒng)。其工作曾以一作或通訊作者名義發(fā)表在Nature Nanotechnology, Advanced Materials， Nature Communications，Matter等國際著名期刊上。
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