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  大多數(shù)膠黏劑在空氣中具有優(yōu)異的粘接強度，而在水中卻很快喪失效果，這主要是因為水分子進(jìn)入粘合界面處對膠黏劑分子產(chǎn)生水化/溶脹/降解作用，從而使得粘接性能迅速喪失。因此，水下高黏附材料一直是工程材料領(lǐng)域的研究難點與熱點�？蒲腥藛T通過仿生多巴胺、界面超分子作用、聚電解質(zhì)絡(luò)合作用等手段發(fā)展了不同類型的水下黏附材料，但均很難實現(xiàn)材料的水下可逆黏附性調(diào)控。

  近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所周峰課題組與香港城市大學(xué)王鉆開課題組合作設(shè)計制備了一種仿生水下“膠水”，該材料不僅在水下具有較強的黏附性，更重要的是其在水下的黏附強度可以通過控制界面溫度進(jìn)行可逆調(diào)節(jié)。 

  該材料體系設(shè)計理念來源于貽貝足絲在水下具有高黏附強度和水下粘合劑快速失效。為了使材料具備水下高粘附性，研究人員首先制備了一種水下黏附性聚合物，即將黏附性多巴胺分子與疏水單體聚合制備仿生黏附性線性聚合物；為了實現(xiàn)水下黏附強度的可調(diào)節(jié)性，又設(shè)計制備了一種溫度響應(yīng)性聚合物（聚N-異丙基丙烯酰胺），該聚合物在低于其相轉(zhuǎn)變溫度條件下與水分子形成分子間氫鍵而呈現(xiàn)高度水化狀態(tài)，在高于其相轉(zhuǎn)變溫度時形成分子內(nèi)氫鍵而呈現(xiàn)去水化狀態(tài)。因此，依據(jù)水下膠黏劑失效原理，將此種響應(yīng)性分子覆蓋到黏附分子表面。通過調(diào)節(jié)溫度，調(diào)節(jié)界面處分子的水化與去水化，可以實現(xiàn)水下黏附可逆調(diào)控。 

  為了能夠使響應(yīng)性分子順利均勻組裝到黏性聚合物表面，在上述兩種聚合物體系中引入超分子主客體，通過分子識別作用，實現(xiàn)響應(yīng)性聚合物在黏附性聚合物表面的高效組裝。該材料體系的水下黏附強度調(diào)節(jié)機理如圖1所示。通過微/宏觀黏附性測試證實，在較高溫度下該材料表面具有較高的水性黏附強度，而在室溫環(huán)境下幾乎沒有任何黏附。這種高黏附-低黏附強度轉(zhuǎn)變可以實現(xiàn)可逆調(diào)節(jié)，幾乎不損失其水下黏附強度（圖2）。 

圖1.仿生水下“膠水”黏附可逆調(diào)控機理圖 

圖2.仿生水下“膠水” 黏附強度可逆調(diào)節(jié)

  除此之外，該材料還具有如下優(yōu)點：不受基底材料的限制，在各類材料表面均具有水下黏附強度可逆調(diào)控性能；通過增加表面粗糙度即可提升材料黏附強度；通過調(diào)節(jié)溫敏高分子組成改變其最低相轉(zhuǎn)變溫度，可實現(xiàn)黏附強度溫度轉(zhuǎn)變點的調(diào)節(jié)等。 

  以上研究成果以“Bio-inspired reversible underwater adhesive”為題發(fā)表在Nature子刊Nat. Commun. (doi:10.1038/s41467-017-02387-2)上，蘭州化物所吳楊博士為論文的共同第一作者。 

  該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、香港研究基金會、國家重點研發(fā)計劃、中科院、深圳科技局及香港城市大學(xué)等基金項目支持。 

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-02387-2#Ack1