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蘭州化物所周峰/馬延飛《Nat. Commun.》：大跨度“黏-滑”調(diào)控
2022-11-18  來(lái)源：高分子科技

  智能黏附材料，因?yàn)槠淠軌虬葱璧馗街头蛛x，已在攀爬機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)器、傷口敷料、生物電子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，大量的智能黏附體系都存在界面殘留、控制系統(tǒng)復(fù)雜、分離過(guò)程中黏附力高等缺點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)大跨度的黏附定制，即高黏附到超低黏附、甚至到潤(rùn)滑的可逆轉(zhuǎn)變?nèi)匀皇且粋(gè)挑戰(zhàn)。


 

  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(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種智能可逆黏附水凝膠材料（DMCS-水凝膠），通過(guò)動(dòng)態(tài)多尺度接觸耦合協(xié)同調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了黏附和潤(rùn)滑狀態(tài)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(fā)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(lái)源：Nature Communications）


  具體而言，在低于臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST）時(shí)，凝膠中的PNIPAAm極易與水分子形成分子間氫鍵，這時(shí)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(tuán)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(gè)表面最終呈現(xiàn)黏附態(tài)。而當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，分子間氫鍵被破壞，水分子潤(rùn)濕凝膠表面導(dǎo)致羧基官能團(tuán)向表面遷移以使表面自由能最小化，這一過(guò)程破壞了鄰苯二酚基團(tuán)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(tuán)極易結(jié)合大量水分子形成潤(rùn)滑層；此外模量和表面粗糙度也隨著溫度增加而增加，進(jìn)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(gè)凝膠表面呈現(xiàn)潤(rùn)滑態(tài)。更重要的是，這種潤(rùn)滑和黏附態(tài)能夠隨著溫度變化而自由切換。 



圖2. 水凝膠介觀尺度接觸演變規(guī)律

（圖片來(lái)源：Nature Communications） 


圖3. 黏附到潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)變

（圖片來(lái)源：Nature Communications） 


圖4.水凝膠的可切換黏附特性

（圖片來(lái)源：Nature Communications）


  總而言之，該團(tuán)隊(duì)利用分子構(gòu)象重排、模量調(diào)控和粗糙度變化，建立了基于微觀尺度和介觀尺度協(xié)同作用的動(dòng)態(tài)多尺度接觸系統(tǒng)，發(fā)展了一種可逆地、動(dòng)態(tài)地和快速地在黏附和潤(rùn)滑狀態(tài)之間切換的智能表面構(gòu)筑方法。該多尺度黏附機(jī)制對(duì)智能黏附材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。


  以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究項(xiàng)目等的資助。


  相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34816-2

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