80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  拓撲粘接可以把兩個聚合物網(wǎng)絡（比如生物組織和水凝膠）強力連接在一起。在這個方法中，首先聚合物長鏈溶液被均勻涂抹在兩層待粘接的聚合物網(wǎng)絡中間（圖1a），當這些聚合物長鏈擴散到這兩個聚合物網(wǎng)絡中，在受到特定的條件觸發(fā)后（比如pH，溫度，離子，光等）交聯(lián)形成一層新的網(wǎng)絡。這層新的網(wǎng)絡與原本的兩層聚合物網(wǎng)絡形成拓撲纏結(jié)，從而產(chǎn)生強力粘接（圖1b）。在分子層面上，這一層新的聚合物網(wǎng)絡如同“縫合線”一般，將原先的兩層網(wǎng)絡在分子尺度上“縫”在了一起。這種可以形成拓撲粘接的粘接劑稱為拓撲粘接劑，其中聚合物長鏈稱為縫合聚合物，形成的聚合物網(wǎng)絡稱為縫合網(wǎng)絡，被粘的聚合物網(wǎng)絡稱為被粘網(wǎng)絡。

  拓撲粘接是一個非常豐富的研究領域，很多問題尚待進一步的研究和開拓，比如粘接化學，粘接速率，粘接強度，粘接后功能實現(xiàn)等。為此，研究人員開啟對拓撲粘接藝術和科學的一系列的研究。本研究作為系列1展示了拓撲粘接可以快速強韌。

  之前的研究認為拓撲粘接的形成需要很長的時間，但在最近的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)這是一個本質(zhì)上的誤解。從原理上講，只要縫合網(wǎng)絡與兩層被粘網(wǎng)絡之間至少形成一個網(wǎng)絡網(wǎng)格尺寸大小（一般為幾十納米）的拓撲糾纏，拓撲粘接就會很強韌（圖1b）。這和使用界面化學連接實現(xiàn)強力粘接相類似，化學鍵只需要在兩個材料的界面上形成即可。這種只需形成納米尺度的縫合網(wǎng)絡進一步揭示了拓撲粘接的速度取決于縫合網(wǎng)絡形成的速度，而不是縫合聚合物擴散到被粘網(wǎng)絡中的速度。這些事實對拓撲粘接的認識有著本質(zhì)上的重要意義，但是還沒有被人們完全了解。

圖1. 拓撲粘接原理。

纖維素拓撲粘接劑

  研究人員為了驗證以上的假說，他們選用纖維素溶液作為拓撲粘接劑（其中纖維素長鏈為縫合聚合物），聚丙烯酰胺水凝膠作為被粘網(wǎng)絡（PAAM）。纖維素是pH敏感聚合物 (pKa = 13)。當pH > 13時，纖維素溶解在水溶液里（圖2a），當pH < 13時，纖維素通過鏈和鏈之間的氫鍵作用形成聚合物網(wǎng)絡（圖2b）。纖維素溶液是由纖維素，氫氧化鈉和尿素組成。它的pH為14。當它被涂抹在兩層PAAM水凝膠之間，纖維素，OH^-離子和尿素分子都擴散到兩個網(wǎng)絡中（圖2c），由于OH^-擴散速度比纖維素快很多，纖維素中的pH逐漸下降，進而形成縫合網(wǎng)絡，與兩層PAAM水凝膠網(wǎng)絡形成拓撲糾纏（圖2d）。

圖2.纖維素拓撲粘接劑。

  在粘接過程中，研究人員首先把纖維素溶液涂在兩層PAAM水凝膠之間，稍加壓力以擠出多余的溶液，隨后把壓力撤掉（圖3a）。等待24小時后，研究人員用180度剝離實驗來測試粘接能（圖3b）。測試結(jié)果表明2%濃度的纖維素溶液可以達到最大的粘接能，約為200 J/m²（圖3c）。此時的粘接非常強，因為粘接能接近于PAAM水凝膠的斷裂能。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)粘接能隨著時間的增加而變大。在粘接后100s，粘接能僅為10 J/m²；而在粘接后170s，粘接能達到50 J/m²（圖3d）。

圖3. 粘接能測試。

可調(diào)控拓撲粘接

  纖維素溶液中pH的降低導致纖維素網(wǎng)絡的形成。研究人員意識到纖維素溶液的初始厚度h提供了 OH^-  擴散的一個重要長度。纖維素網(wǎng)絡的形成取決于OH^- 擴散h長度所需要的時間，t ~h²/D_trigger, 其中D_trigger 是有效擴散系數(shù)。這個式子意味著只要調(diào)控纖維素溶液的初始厚度，就能調(diào)節(jié)拓撲粘接的速度。當纖維素溶液厚度減少2倍，粘接時間就會減少4倍。研究人員利用不同厚度的尼龍網(wǎng)格來控制厚度（圖4a）。粘接結(jié)果顯示對于50 μm的厚度溶液，粘接能在60s內(nèi)達到50 J/m², 在10分鐘達到平衡；而對于120 μm的溶液厚度，粘接能在250s內(nèi)達到50 J/m², 在20分鐘達到平衡（圖4b）。接下來研究人員驗證t ~ h²/D_trigger。粘接能達到一半平衡值所需的時間和初始厚度h的關系表示在log-log圖里（圖4c）。在圖中，該關系的斜率為2，驗證了t ~ h²的關系。這個關系也同樣適用于其他pH敏感的縫合聚合物，比如殼聚糖。從圖4c中還可以看到，當厚度減小到微米甚至納米，瞬間拓撲粘接是可能的。

圖4. 可調(diào)控的拓撲粘接。

現(xiàn)有的拓撲粘接技術總結(jié)

  研究人員總結(jié)了現(xiàn)有的拓撲粘接技術（圖5），并且指出了調(diào)控粘接速度的因素。例如在殼聚糖拓撲粘接中，殼聚糖溶液中的pH緩沖分子可能會延緩pH的變化，從而延緩粘接速度（圖5a）；在聚丙烯酸的拓撲粘接中，三價鐵離子溶液中的檸檬酸可以與鐵離子螯合從而降低了用來交聯(lián)聚丙烯酸的鐵離子濃度，延緩粘接速度（圖5b）；在海藻酸鈉的拓撲粘接中，海藻酸鈉與化學劑AAD化學交聯(lián)反應速率決定了粘接時間（圖5c）；在氰基丙烯酸酯的拓撲粘接中，由于氰基丙烯酸酯與水的反應過于迅速，拓撲粘接非常迅速（圖5d）。用有機溶劑來稀釋氰基丙烯酸酯的方法可以來減緩反應速率，從而減慢粘接時間；在聚丙烯酰胺的拓撲粘接中，水溶性的聚丙烯酰胺長鏈在有機溶劑中可以形成聚合物網(wǎng)絡。因此拓撲粘接的速度是由溶劑交換的速度決定的（圖5e）。在聚異丙基丙烯酰胺的拓撲粘接中，由于聚異丙基丙烯酰胺是溫敏聚合物，熱擴散的速度決定了拓撲粘接的速度（圖5f）。

圖5. 一些其他拓撲粘接劑的例子。

  強力拓撲粘接只需要縫合網(wǎng)絡與兩層被粘網(wǎng)絡之間形成一個網(wǎng)絡網(wǎng)格尺寸大小的拓撲糾纏。這種納米尺度的縫合網(wǎng)絡揭示了拓撲粘接的速度取決于縫合網(wǎng)絡形成的速度，而不是縫合聚合物擴散到被粘網(wǎng)絡的速度。這個原理糾正了原先認為拓撲粘接慢的誤解。拓撲粘接可以非常迅速，并且粘接時間可以調(diào)控。研究人員用纖維素溶液驗證了這個原理，揭示了粘接時間與初始纖維素溶液厚度是平方的關系。通過改變纖維素溶液厚度，粘接時間可以從秒到小時的變化。本研究給出了拓撲粘接在應用中的啟示—深刻理解拓撲粘接劑的粘接原理以及它們粘接速率的調(diào)控機制可以為各種粘接應用提供廣闊的設計空間。

  該研究工作發(fā)表在Extreme Mechanics Letters上。論文作者為哈佛大學博士Jason Steck，Junsoo Kim, Jiawei Yang (楊加偉, 現(xiàn)為波士頓兒童醫(yī)院，麻省理工博后), Sammy Hassan, 哈佛大學、美國科學院，工程院院士鎖志剛教授為論文通訊作者。

  論文信息與鏈接

  Topological adhesion. I. Rapid and strong topohesives

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431620301188