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哈工大成中軍教授團(tuán)隊 ACS Nano：三重生物啟發(fā)的具有強(qiáng)粘附與可逆粘附的形狀記憶微腔
2023-11-22  來源：高分子科技

  具有可切換粘附力的智能粘合劑因其可應(yīng)用于傳感器、軟抓手和智能機(jī)器人等領(lǐng)域而備受關(guān)注。尤其是對固體和液體都具有可控粘附力的表面，由于其應(yīng)用范圍更廣，受到了更多關(guān)注。然而，對固體和液體都表現(xiàn)出可控粘附力的表面往往無法提供足夠的粘附力來實現(xiàn)強(qiáng)固體粘附。


圖1 三重仿生粘附結(jié)構(gòu)（H-SMPM）及其可逆粘附性能


  近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院成中軍教授團(tuán)隊從章魚吸盤、荷葉和爬山虎的粘附結(jié)構(gòu)中汲取靈感，開發(fā)了一種三重生物啟發(fā)的形狀記憶智能粘合劑，它對固體和液體都具有可切換的粘附（圖1）。該智能粘合劑設(shè)計采用了由形狀記憶聚合物（SMP）形成的微腔，與爬山虎身上的粘液類似，SMP在溫度刺激下可在橡膠態(tài)和玻璃態(tài)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)溫度在 25 ℃ 和90 ℃之間切換時，SMP的模量在約1027 MPa（玻璃態(tài)）和 1 MPa（橡膠態(tài)）之間切換。利用形狀記憶效應(yīng)和 SMP的橡膠-玻璃（R-G）相變，可以通過調(diào)節(jié)溫度和外力來實現(xiàn)對表面形貌和粗糙度的精確調(diào)控以及表面形貌的可逆變化（圖2）。同時，表面結(jié)構(gòu)的變化可帶來表面粘附力的精確調(diào)控以及表面與光滑固體、粗糙固體粘附力的可逆調(diào)控（圖3）。在橡膠狀態(tài)下，H-SMPM表面受到擠壓以建立保形接觸并形成密封空腔。將H-SMPM 表面冷卻到玻璃態(tài)，可通過形狀鎖定固定保形接觸，在微腔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)加熱到90 °C 時，SMP 的形狀記憶效應(yīng)（SME）可使微空腔恢復(fù)原狀，消除負(fù)壓，從而降低粘附性。值得注意的是，此處設(shè)計的粘合劑在固體上表現(xiàn)出很高的粘合強(qiáng)度（高達(dá) 420 kPa），這得益于形狀互鎖效應(yīng)和微腔內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓。此外，原始的H-SMPM表面對水滴具有超疏水的低粘附性，而壓縮后的表面則具有疏水的高粘附性（圖 3）。此外，利用這種可切換的粘附力，還可以實現(xiàn)固體和液體的可編程傳輸。這種方法拓展了設(shè)計智能粘合劑的可能性，并為不同領(lǐng)域的各種應(yīng)用提供了潛力。相關(guān)研究以“Triple-Bioinspired Shape Memory Microcavities with Strong and Switchable Adhesion”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院博士生李宇芬。該研究得到國家自然科學(xué)基金委的支持。 



圖2 H-SMPM表面形貌和粗糙度隨負(fù)載的變化。 



圖3 H-SMPM表面對固體的強(qiáng)粘附與可逆粘附。 



圖4 H-SMPM表面對水滴的可逆粘附。


  該工作是團(tuán)隊近期關(guān)于同時具有可逆固體和液體粘附的智能粘附表面相關(guān)研究的最新進(jìn)展之一。表面只單一的具有可逆固體粘附或者可逆液體粘附，往往會限制該智能表面的應(yīng)用范圍，為此團(tuán)隊把仿生結(jié)構(gòu)與形狀記憶聚合物結(jié)合，構(gòu)筑了一系列同時具有可逆固體和液體粘附的智能粘附表面 (Chem. Eng. J. 2023, 461，141927；Chem. Eng. J. 2021, 420, 129862) ，展示了其在固體和液體粘附方面的應(yīng)用。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06651

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