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  水下粘附能力是在水環境中應用的材料的極其理想的屬性。自然生物展示了大量的化學和物理機制，用于在各種表面上進行水下粘附，例如，牡蠣中廣為研究的兒茶酚化學，沙堡蟲中的復雜混凝，攀壁魚中的六邊形表面結構和吸盤以及章魚的吸盤等。另一方面，可切換的水下粘附材料具有廣泛的應用潛力，包括貨物運輸、外科手術、局部藥物傳遞、可穿戴電子設備、夾爪以及動態附著和運動等。盡管最近的研究在設計此類系統方面取得了一些進展，但目前的策略存在一些內在限制，例如高殘留附著力，切換過程中涉及固液相轉換，或粘合劑的薄膜結構等。

  近日，芬蘭阿爾托大學的研究人員在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表關于可切換高效水下黏附水凝膠的工作。本研究報道了一種包含多巴胺共聚物的通道式聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）水凝膠，通過在水凝膠內部引入微觀通道，它可以在親水性和疏水性表面上進行溫控可逆地高效切換水下附著力。阿爾托大學的Olli Ikkala教授和芬蘭科學院博士后研究員張航博士為本文的聯合通訊作者。

具有微觀通道的水凝膠

圖1.  高效可切換水下黏附水凝膠。

圖2. 本文系統（a）與已報道可切換黏附系統對比。

  圖2將本文系統與已報道系統進行了四個參數的對比，分別為切換效率、高附著狀態下的最大粘著應力、切換過程中的材料狀態（固態或液態）、以及材料形態（體塊或薄膜）。值得注意的是，當前系統是首個在不經歷固-液（溶膠-凝膠）轉變的塊體固體材料中實現高切換效率（和粘著強度的系統。如介紹中所討論的，膠片狀粘合劑的可變形性很大程度上取決于支撐材料，例如Zhao等人和Ma等人所報道的，這限制了它們在規則和不易破碎的表面上的使用，盡管其具有出色的切換效率。另一種策略是利用材料的溶膠-凝膠轉變，如Xu等人和Dompé等人所報道的，這也可以提供接近1的切換效率。然而，在水環境中，材料在溶膠狀態下會溶解，從而限制了它們的重復使用和持續操作。Wang等人報告了一種基于光和溫度控制的蒽二聚物化學反應的粘附系統，其具有極高的粘著強度（130-340 kPa），但是這種系統在低粘著狀態下（存在明顯殘留粘著力，因此切換效率較低（0.35-0.6），這限制了其用于釋放輕質和易碎物體的應用。目前采用的通道策略因此具有以下優勢：（1）具有高切換效率和粘著強度；（2）在切換過程中保持為塊體固體材料，不會在水中溶解，確保了其可重復使用和持續操作；（3）作為軟性體塊材料，能夠容納大變形和不規則表面，用于易碎物體的粘附和釋放。

可切換黏附凝膠用于物體的捕獲與釋放

圖3.可切換黏附凝膠用于物體的捕獲與釋放。

小結

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214091

作者簡介

  Olli Ikkala教授，本文通訊作者。芬蘭阿爾托大學杰出教授Distinguished Professor。主要研究方向包括學習型材料，非平衡態自組裝，和生物啟發材料。兩次獲得歐洲研究理事會ERC Advanced Grant。曾擔任芬蘭科學院Center of Excellence HYBER的主要負責人，現任Center of Excellence LIBER成員。Ikkala教授發表文章超過340篇，H-index達到78，被引用超過22000次。

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

  張航博士，本文通訊作者。本科和碩士分別畢業于同濟大學材料科學與工程，和德國亞琛工業大學化學專業。2017年在位于亞琛的萊布尼茨交互材料研究所獲得博士學位，課題為基于水凝膠的光驅動軟微機器人。隨后在芬蘭的阿爾托大學Olli Ikkala教授課題組進行博士后研究。2020年獲得芬蘭科學院博士后基金并工作至今。研究方向主要包括新型水凝膠，納米顆粒自組裝、以及光驅動軟物質系統。其工作曾以一作或通訊作者名義發表在Nature Nanotechnology, Advanced Materials， Nature Communications，Matter等國際著名期刊上。

  主頁: https://zhangslab.com