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蘭州化物所周峰/馬延飛《Nat. Commun.》：大跨度“黏-滑”調控

2022-11-18 來源：高分子科技

智能黏附材料，因為其能夠按需地附著和分離，已在攀爬機器人、驅動器、傷口敷料、生物電子學等領域具有廣泛的應用。然而，大量的智能黏附體系都存在界面殘留、控制系統復雜、分離過程中黏附力高等缺點。如何實現大跨度的黏附定制，即高黏附到超低黏附、甚至到潤滑的可逆轉變仍然是一個挑戰。

基于此，中科院蘭州化物所 - 材料表面與界面課題組 - 周峰研究員團隊，報道了一種智能可逆黏附水凝膠材料（DMCS-水凝膠），通過動態多尺度接觸耦合協同調控，實現了黏附和潤滑狀態之間的快速切換。研究成果以“Design of large-span stick-slip freely switchable hydrogels via dynamic multiscale contact synergy” 為題發表在《Nature Communications》上（10.1038/s41467-022-34816-2）。中科院蘭州化物所張芝芝博士生為論文第一作者，周峰研究員和馬延飛助理研究員為通訊作者。

圖1. 黏-滑切換水凝膠材料概念圖

（圖片來源：Nature Communications）

具體而言，在低于臨界轉變溫度（LCST）時，凝膠中的PNIPAAm極易與水分子形成分子間氫鍵，這時凝膠表面干燥且充斥著空氣，疏水的碳鏈骨架和鄰苯二酚等官能基團傾向暴露于表面，從而增加了界面微觀尺度接觸；此外，凝膠在低溫條件下的低模量和低粗糙度增加了介觀尺度接觸，微觀和介觀尺度接觸耦合致使整個表面最終呈現黏附態。而當溫度高于LCST時，分子間氫鍵被破壞，水分子潤濕凝膠表面導致羧基官能團向表面遷移以使表面自由能最小化，這一過程破壞了鄰苯二酚基團與基底表面的相互作用，減小了微觀尺度接觸，且遷移到表面的羧酸官能團極易結合大量水分子形成潤滑層；此外模量和表面粗糙度也隨著溫度增加而增加，進一步減少了介觀尺度接觸。微觀尺度的界面相互作用屏蔽和介觀尺度的表面粗糙化/高模量致使整個凝膠表面呈現潤滑態。更重要的是，這種潤滑和黏附態能夠隨著溫度變化而自由切換。