哈工大刘宇艳教授团队 AFM：具有可逆固体和液体粘附特性的顶部带有可调蘑菇结构的形状记忆阵列

2023-12-28 来源：高分子科技

智能材料的粘附特性在物体运输、液滴操纵等领域广泛应用而备受关注，尤其是应用范围更广的对固体和液体都具有可控粘附力的表面。然而，两种粘附对与固体接触面积的需求是矛盾的。实现可逆液体粘附所需的可调微结构会减少材料与固体之间的接触面积，降低对固体的粘附力。因此很难在材料表面同时获得可切换粘附和高固体粘附力。

针对该问题，哈尔滨工业大学刘宇艳教授团队制备了一种基于形状记忆变形和弹性变形的双结构可调智能粘附材料。以形状记忆环氧树脂阵列为基础，通过简单浸渍法在阵列顶部制备具有弹性变形能力的高粘附聚氨酯球形蘑菇，进而获得了顶部带有可调蘑菇结构的形状记忆异质阵列。研究表明，基于环氧树脂的形状记忆性能，异质阵列可以在直立和倒伏状态之间可逆转变，结构变化过程中聚氨酯与固体的接触状态和阵列的表面粗糙度发生改变，实现了对固体和液体粘附的调控（图1）。另外，室温下刚性的形状记忆环氧树脂阵列为柔性聚氨酯蘑菇提供了支撑，使聚氨酯蘑菇能够与固体充分接触，在压力作用下聚氨酯蘑菇发生变形，进一步增大了与固体的接触面积，从而提高了对固体的粘附力。由于聚氨酯蘑菇具有较好的弹性，当粘附材料与固体分离后，受迫变形的聚氨酯蘑菇在室温下也可以自发恢复为球形状态（图2），完成弹性变形与自发回复过程。因此，通过上述异质结构设计及双变形方式的协同作用，获得了具有高固体粘附力和可切换固体/液体粘附材料，解决了不同粘附对接触面积的需求矛盾问题。此外，通过在环氧树脂基底中引入光热响应粒子Fe₃O₄，利用局部红外光照射可远程、区域性地调节固体和液体粘附，实现了硅片和水滴的选择性拾取。

图1 不同状态的阵列表面形貌及其可逆粘附性能

图2（a-h）环氧树脂阵列形状记忆变化；（i-k）聚氨酯蘑菇结构变化

这项工作为解决高固体粘附力和可切换粘附力之间所需接触面积矛盾的问题提供了一种新的策略。该工作以“Shape memory arrays top coated by adjustable mushroom with switchable adhesion to both solid and liquid”为题发表在《Advanced Functional Materials》上（DOI：10.1002/adfm.202312869）。文章通讯作者为哈尔滨工业大学化工与化学学院张东杰博士后，第一作者为刘晓峰博士。该研究得到国家自然科学基金委、博新计划等项目的支持。

刘宇艳教授课题组长期从事智能变形材料的研究，主要包含基于形状记忆微阵列动态控制的浸润性、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）；双向形状记忆聚合物研究（Mater. Horiz., 2023, 10, 2464）；形状记忆智能开关（Adv. Sci. 2023, 10, 2205428）;基于形状记忆宏观变形的智能锁紧/释放装置应用研究（https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/af9ca247b5924fca96a7bff8a8055c35）；智能变形的石墨烯、MXene电磁屏蔽材料(Matter 2022, 5, 1042. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 132, 14029)等。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202312869

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（责任编辑：xu）

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