哈工大成中军教授团队 ACS Nano：三重生物启发的具有强粘附与可逆粘附的形状记忆微腔

2023-11-22 来源：高分子科技

具有可切换粘附力的智能粘合剂因其可应用于传感器、软抓手和智能机器人等领域而备受关注。尤其是对固体和液体都具有可控粘附力的表面，由于其应用范围更广，受到了更多关注。然而，对固体和液体都表现出可控粘附力的表面往往无法提供足够的粘附力来实现强固体粘附。

图1 三重仿生粘附结构（H-SMPM）及其可逆粘附性能

近期，哈尔滨工业大学化工学院成中军教授团队从章鱼吸盘、荷叶和爬山虎的粘附结构中汲取灵感，开发了一种三重生物启发的形状记忆智能粘合剂，它对固体和液体都具有可切换的粘附（图1）。该智能粘合剂设计采用了由形状记忆聚合物（SMP）形成的微腔，与爬山虎身上的粘液类似，SMP在温度刺激下可在橡胶态和玻璃态之间转换。当温度在 25 ℃ 和90 ℃之间切换时，SMP的模量在约1027 MPa（玻璃态）和 1 MPa（橡胶态）之间切换。利用形状记忆效应和 SMP的橡胶-玻璃（R-G）相变，可以通过调节温度和外力来实现对表面形貌和粗糙度的精确调控以及表面形貌的可逆变化（图2）。同时，表面结构的变化可带来表面粘附力的精确调控以及表面与光滑固体、粗糙固体粘附力的可逆调控（图3）。在橡胶状态下，H-SMPM表面受到挤压以建立保形接触并形成密封空腔。将H-SMPM 表面冷却到玻璃态，可通过形状锁定固定保形接触，在微腔内产生负压。当加热到90 °C 时，SMP 的形状记忆效应（SME）可使微空腔恢复原状，消除负压，从而降低粘附性。值得注意的是，此处设计的粘合剂在固体上表现出很高的粘合强度（高达 420 kPa），这得益于形状互锁效应和微腔内产生的负压。此外，原始的H-SMPM表面对水滴具有超疏水的低粘附性，而压缩后的表面则具有疏水的高粘附性（图 3）。此外，利用这种可切换的粘附力，还可以实现固体和液体的可编程传输。这种方法拓展了设计智能粘合剂的可能性，并为不同领域的各种应用提供了潜力。相关研究以“Triple-Bioinspired Shape Memory Microcavities with Strong and Switchable Adhesion”为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者是哈尔滨工业大学化工学院博士生李宇芬。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图2 H-SMPM表面形貌和粗糙度随负载的变化。

图3 H-SMPM表面对固体的强粘附与可逆粘附。

图4 H-SMPM表面对水滴的可逆粘附。

该工作是团队近期关于同时具有可逆固体和液体粘附的智能粘附表面相关研究的最新进展之一。表面只单一的具有可逆固体粘附或者可逆液体粘附，往往会限制该智能表面的应用范围，为此团队把仿生结构与形状记忆聚合物结合，构筑了一系列同时具有可逆固体和液体粘附的智能粘附表面 (Chem. Eng. J. 2023, 461，141927；Chem. Eng. J. 2021, 420, 129862) ，展示了其在固体和液体粘附方面的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c06651

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（责任编辑：xu）

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