水下粘附能力是在水环境中应用的材料的极其理想的属性。自然生物展示了大量的化学和物理机制，用于在各种表面上进行水下粘附，例如，牡蛎中广为研究的儿茶酚化学，沙堡虫中的复杂混凝，攀壁鱼中的六边形表面结构和吸盘以及章鱼的吸盘等。另一方面，可切换的水下粘附材料具有广泛的应用潜力，包括货物运输、外科手术、局部药物传递、可穿戴电子设备、夹爪以及动态附着和运动等。尽管最近的研究在设计此类系统方面取得了一些进展，但目前的策略存在一些内在限制，例如高残留附着力，切换过程中涉及固液相转换，或粘合剂的薄膜结构等。

  近日，芬兰阿尔托大学的研究人员在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表关于可切换高效水下黏附水凝胶的工作。本研究报道了一种包含多巴胺共聚物的通道式聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝胶，通过在水凝胶内部引入微观通道，它可以在亲水性和疏水性表面上进行温控可逆地高效切换水下附着力。阿尔托大学的Olli Ikkala教授和芬兰科学院博士后研究员张航博士为本文的联合通讯作者。

具有微观通道的水凝胶

图1.  高效可切换水下黏附水凝胶。

图2. 本文系统（a）与已报道可切换黏附系统对比。

  图2将本文系统与已报道系统进行了四个参数的对比，分别为切换效率、高附着状态下的最大粘着应力、切换过程中的材料状态（固态或液态）、以及材料形态（体块或薄膜）。值得注意的是，当前系统是首个在不经历固-液（溶胶-凝胶）转变的块体固体材料中实现高切换效率（和粘着强度的系统。如介绍中所讨论的，胶片状粘合剂的可变形性很大程度上取决于支撑材料，例如Zhao等人和Ma等人所报道的，这限制了它们在规则和不易破碎的表面上的使用，尽管其具有出色的切换效率。另一种策略是利用材料的溶胶-凝胶转变，如Xu等人和Dompé等人所报道的，这也可以提供接近1的切换效率。然而，在水环境中，材料在溶胶状态下会溶解，从而限制了它们的重复使用和持续操作。Wang等人报告了一种基于光和温度控制的蒽二聚物化学反应的粘附系统，其具有极高的粘着强度（130-340 kPa），但是这种系统在低粘着状态下（存在明显残留粘着力，因此切换效率较低（0.35-0.6），这限制了其用于释放轻质和易碎物体的应用。目前采用的通道策略因此具有以下优势：（1）具有高切换效率和粘着强度；（2）在切换过程中保持为块体固体材料，不会在水中溶解，确保了其可重复使用和持续操作；（3）作为软性体块材料，能够容纳大变形和不规则表面，用于易碎物体的粘附和释放。

可切换黏附凝胶用于物体的捕获与释放

图3.可切换黏附凝胶用于物体的捕获与释放。

小结

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214091

作者简介

  Olli Ikkala教授，本文通讯作者。芬兰阿尔托大学杰出教授Distinguished Professor。主要研究方向包括学习型材料，非平衡态自组装，和生物启发材料。两次获得欧洲研究理事会ERC Advanced Grant。曾担任芬兰科学院Center of Excellence HYBER的主要负责人，现任Center of Excellence LIBER成员。Ikkala教授发表文章超过340篇，H-index达到78，被引用超过22000次。

  主页：https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/molecular-materials-molmat

  张航博士，本文通讯作者。本科和硕士分别毕业于同济大学材料科学与工程，和德国亚琛工业大学化学专业。2017年在位于亚琛的莱布尼茨交互材料研究所获得博士学位，课题为基于水凝胶的光驱动软微机器人。随后在芬兰的阿尔托大学Olli Ikkala教授课题组进行博士后研究。2020年获得芬兰科学院博士后基金并工作至今。研究方向主要包括新型水凝胶，纳米颗粒自组装、以及光驱动软物质系统。其工作曾以一作或通讯作者名义发表在Nature Nanotechnology, Advanced Materials， Nature Communications，Matter等国际著名期刊上。

  主页: https://zhangslab.com