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哈工大成中軍教授團隊 ACS Nano：三重生物啟發的具有強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用于傳感器、軟抓手和智能機器人等領域而備受關注。尤其是對固體和液體都具有可控粘附力的表面，由于其應用范圍更廣，受到了更多關注。然而，對固體和液體都表現出可控粘附力的表面往往無法提供足夠的粘附力來實現強固體粘附。

圖1 三重仿生粘附結構（H-SMPM）及其可逆粘附性能

近期，哈爾濱工業大學化工學院成中軍教授團隊從章魚吸盤、荷葉和爬山虎的粘附結構中汲取靈感，開發了一種三重生物啟發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和玻璃態之間轉換。當溫度在 25 ℃ 和90 ℃之間切換時，SMP的模量在約1027 MPa（玻璃態）和 1 MPa（橡膠態）之間切換。利用形狀記憶效應和 SMP的橡膠-玻璃（R-G）相變，可以通過調節溫度和外力來實現對表面形貌和粗糙度的精確調控以及表面形貌的可逆變化（圖2）。同時，表面結構的變化可帶來表面粘附力的精確調控以及表面與光滑固體、粗糙固體粘附力的可逆調控（圖3）。在橡膠狀態下，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，可通過形狀鎖定固定保形接觸，在微腔內產生負壓。當加熱到90 °C 時，SMP 的形狀記憶效應（SME）可使微空腔恢復原狀，消除負壓，從而降低粘附性。值得注意的是，此處設計的粘合劑在固體上表現出很高的粘合強度（高達 420 kPa），這得益于形狀互鎖效應和微腔內產生的負壓。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，還可以實現固體和液體的可編程傳輸。這種方法拓展了設計智能粘合劑的可能性，并為不同領域的各種應用提供了潛力。相關研究以“Triple-Bioinspired Shape Memory Microcavities with Strong and Switchable Adhesion”為題發表在《ACS Nano》上。文章第一作者是哈爾濱工業大學化工學院博士生李宇芬。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖2 H-SMPM表面形貌和粗糙度隨負載的變化。

圖3 H-SMPM表面對固體的強粘附與可逆粘附。

圖4 H-SMPM表面對水滴的可逆粘附。

該工作是團隊近期關于同時具有可逆固體和液體粘附的智能粘附表面相關研究的最新進展之一。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用范圍，為此團隊把仿生結構與形狀記憶聚合物結合，構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用。

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

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（責任編輯：xu）

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