粘合劑廣泛應(yīng)用于從日常生活到航空航天工業(yè)的各個領(lǐng)域，因為它們能夠?qū)煞N材料粘合在一起并防止它們分離。在大多數(shù)情況下，這些粘合劑可以與材料表面形成永久性和不可逆鍵，不能重復(fù)使用或再次拆卸。隨著軟機器人、柔性電子產(chǎn)品和智能設(shè)備的普及，具有可切換粘合能力的粘合劑將變得更加必要。然而實現(xiàn)超強的粘附性、高效切換能力及可靠使用壽命的可逆粘合劑一直是具有挑戰(zhàn)性的。
針對以上研究現(xiàn)狀，四川大學(xué)雷景新教授團隊設(shè)計了一種基于多級動態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的自愈合、可切換粘合劑。受貽貝的啟發(fā)，作者通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計將1-(3-氨基丙基)咪唑和姜黃素配位單體引入聚氨酯體系中，與銅離子(Cu2+)進行配位形成動態(tài)金屬配位鍵(圖1)。結(jié)合密度泛函理論計算，具有不同鍵能的金屬配位鍵（較強的Cu2+-姜黃素配合物和較弱的Cu2+-咪唑配合物）可在聚合物鏈段之間聚集形成多級動態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)不僅可以作為易于破壞和改造的犧牲位點，允許高效的可切換粘接和巨大的能量耗散，同時還能作為穩(wěn)固位點從而維持粘合劑的內(nèi)聚力和網(wǎng)絡(luò)的可逆重構(gòu)。有趣的是，CIPU: Cu2 +可以實現(xiàn)在室溫環(huán)境下的自愈合以及近紅外激光刺激下的快速修復(fù)，大大延長了粘合劑的有效使用壽命。
圖1. 基于多級動態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可切換粘合劑設(shè)計原理
作者還展示了可切換粘合劑的實際應(yīng)用。制備的粘合劑可以通過熱壓或者刮涂的方式實現(xiàn)界面之間有效的粘合，有效應(yīng)對了復(fù)雜的界面條件。同時粘合劑對不同類型的材料均具有優(yōu)異的粘合能力，特別是金屬表面（在鋁片上的粘接強度可達2.46 MPa，通過粘合劑連接的鋁片可以輕松掛起25 kg的重物。根據(jù)實際的需要，可以通過光照或者溶劑刺激粘合區(qū)域，實現(xiàn)粘合劑快速有效的可切換粘附(30秒)（圖2）。在多次重復(fù)粘合/剝離操作后，可逆粘合劑的粘合性能和高效切換能力可基本保持，進一步揭示了其優(yōu)異的可逆粘接能力。相信，這種材料在智能器件、可穿戴生物監(jiān)測設(shè)備、半導(dǎo)體制造等方面都有潛在的應(yīng)用前景，為下一代可切換膠粘劑的發(fā)展提供了新方向。
圖2. CIPUs: Cu2+可切換粘合劑的實際應(yīng)用
該工作以“Exploring Self-Healing and Switchable Adhesives based on Multi-Level Dynamic Stable Structure”為題，發(fā)表在《Small》。論文第一作者為四川大學(xué)博士研究生徐華梁，通訊作者為四川大學(xué)雷景新教授和江亮助理研究員。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202300626