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哈工大劉宇艷教授團(tuán)隊 AFM：具有可逆固體和液體粘附特性的頂部帶有可調(diào)蘑菇結(jié)構(gòu)的形狀記憶陣列
2023-12-28  來源：高分子科技

  智能材料的粘附特性在物體運輸、液滴操縱等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注，尤其是應(yīng)用范圍更廣的對固體和液體都具有可控粘附力的表面。然而，兩種粘附對與固體接觸面積的需求是矛盾的。實現(xiàn)可逆液體粘附所需的可調(diào)微結(jié)構(gòu)會減少材料與固體之間的接觸面積，降低對固體的粘附力。因此很難在材料表面同時獲得可切換粘附和高固體粘附力。


  針對該問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宇艷教授團(tuán)隊制備了一種基于形狀記憶變形和彈性變形的雙結(jié)構(gòu)可調(diào)智能粘附材料。以形狀記憶環(huán)氧樹脂陣列為基礎(chǔ)，通過簡單浸漬法在陣列頂部制備具有彈性變形能力的高粘附聚氨酯球形蘑菇，進(jìn)而獲得了頂部帶有可調(diào)蘑菇結(jié)構(gòu)的形狀記憶異質(zhì)陣列。研究表明，基于環(huán)氧樹脂的形狀記憶性能，異質(zhì)陣列可以在直立和倒伏狀態(tài)之間可逆轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)變化過程中聚氨酯與固體的接觸狀態(tài)和陣列的表面粗糙度發(fā)生改變，實現(xiàn)了對固體和液體粘附的調(diào)控（圖1）。另外，室溫下剛性的形狀記憶環(huán)氧樹脂陣列為柔性聚氨酯蘑菇提供了支撐，使聚氨酯蘑菇能夠與固體充分接觸，在壓力作用下聚氨酯蘑菇發(fā)生變形，進(jìn)一步增大了與固體的接觸面積，從而提高了對固體的粘附力。由于聚氨酯蘑菇具有較好的彈性，當(dāng)粘附材料與固體分離后，受迫變形的聚氨酯蘑菇在室溫下也可以自發(fā)恢復(fù)為球形狀態(tài)（圖2），完成彈性變形與自發(fā)回復(fù)過程。因此，通過上述異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計及雙變形方式的協(xié)同作用，獲得了具有高固體粘附力和可切換固體/液體粘附材料，解決了不同粘附對接觸面積的需求矛盾問題。此外，通過在環(huán)氧樹脂基底中引入光熱響應(yīng)粒子Fe3O4，利用局部紅外光照射可遠(yuǎn)程、區(qū)域性地調(diào)節(jié)固體和液體粘附，實現(xiàn)了硅片和水滴的選擇性拾取。 


圖1 不同狀態(tài)的陣列表面形貌及其可逆粘附性能 


圖2（a-h）環(huán)氧樹脂陣列形狀記憶變化；（i-k）聚氨酯蘑菇結(jié)構(gòu)變化


  這項工作為解決高固體粘附力和可切換粘附力之間所需接觸面積矛盾的問題提供了一種新的策略。該工作以“Shape memory arrays top coated by adjustable mushroom with switchable adhesion to both solid and liquid”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上（DOI：10.1002/adfm.202312869）。文章通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院張東杰博士后，第一作者為劉曉峰博士。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、博新計劃等項目的支持。

  劉宇艷教授課題組長期從事智能變形材料的研究，主要包含基于形狀記憶微陣列動態(tài)控制的浸潤性、粘附性控制研究（Adv. Compos. Hybrid. Ma. 2023, 6, 124；Sci. China Mater., 2022, 65(9): 2591; ACS Nano 2020, 14, 14047；Adv. Mater. 2021, 33, 2001718; Angew. Chem. Int. Edit. 2018, 130, 3763）；雙向形狀記憶聚合物研究（Mater. Horiz., 2023, 10, 2464）；形狀記憶智能開關(guān)（Adv. Sci. 2023, 10, 2205428）;基于形狀記憶宏觀變形的智能鎖緊/釋放裝置應(yīng)用研究（https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/af9ca247b5924fca96a7bff8a8055c35）；智能變形的石墨烯、MXene電磁屏蔽材料(Matter 2022, 5, 1042. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 14029)等。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312869

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