自然界中，以壁虎、樹蛙和蝸牛為代表的生物體能通過可逆調(diào)控界面黏附實現(xiàn)垂直甚至倒立表面的運動。這種獨特的運動能力源于其快速可逆的黏附狀態(tài)切換機制。然而，在合成材料體系中實現(xiàn)高/低黏附態(tài)的快速可逆轉(zhuǎn)換仍面臨挑戰(zhàn)，主要受限于材料雙穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定性、狀態(tài)切換的動力學速率以及兩態(tài)間的黏附性能差異三個關(guān)鍵因素。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室周峰研究員團隊與西北工業(yè)大學合作，基于軟物質(zhì)表面分子的動態(tài)構(gòu)象轉(zhuǎn)變機制，發(fā)展了一種具有快速可逆黏附調(diào)控功能的智能水凝膠材料。研究人員通過將Fe₃O₄納米顆粒的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)（源于帶間電子躍遷和缺陷態(tài)吸收）與N-異丙基丙烯酰胺的溫敏特性相耦合，成功實現(xiàn)了近紅外光遠程控制的黏附性能可逆切換。

圖1.?智能水凝膠的設(shè)計與制備

研究人員進一步揭示了其作用機制，通過近紅外光激發(fā)納米顆粒產(chǎn)生熱效應(yīng)，誘導水凝膠發(fā)生溫度響應(yīng)性相變，實現(xiàn)軟物質(zhì)表面水分子的滲出/吸收，改變其表面親水羧酸基團的分子構(gòu)象，進而可逆地控制鄰苯二酚基團的屏蔽和暴露。這種基于界面分子構(gòu)象變化調(diào)控的黏附機制具有無殘留、可重復使用的特點，為智能黏附材料的開發(fā)提供了新思路。

圖2.?水凝膠黏附性能變化的表面潤濕性機制

該智能水凝膠的黏附行為表現(xiàn)出顯著的溫度響應(yīng)特性。在高溫相（>LCST），表面水化作用促使羧酸基團遷移至界面，有效屏蔽兒茶酚基團，導致界面相互作用顯著減弱（黏附強度<0.3 kPa）。而在低溫相（<LCST），兒茶酚基團充分暴露，界面相互作用形成，呈現(xiàn)高黏附狀態(tài)（黏附強度>7.5 kPa）。系統(tǒng)研究表明，增加界面載荷和接觸時間都僅能促進低溫狀態(tài)下的界面黏附，而對高溫黏附性能無顯著影響，這也進一步證明了高溫條件下界面水對相互作用形成的有效屏蔽作用。

此外，該黏附水凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的智能黏附性能和廣泛的基材適用性，實現(xiàn)了從無機到有機材料表面的可逆黏附。為進一步驗證黏附水凝膠材料的可控性，研究人員實驗演示了水凝膠在不銹鋼基板上的光熱響應(yīng)行為，初始狀態(tài)下可穩(wěn)定懸掛50g重物，近紅外光照后因黏附性能切換而黏附失效。

圖3.?智能水凝膠的光控脫黏試驗

上述研究，成功發(fā)展了一種具有光熱響應(yīng)特性的智能水凝膠材料。通過協(xié)同整合溫敏性聚合物網(wǎng)絡(luò)與光熱納米顆粒，實現(xiàn)了材料黏附性能的遠程精準調(diào)控。該材料體系在創(chuàng)面修復、柔性電子器件和軟體機器人等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景，為智能黏附材料的設(shè)計提供了新的研究思路。

相關(guān)研究成果以“Light-controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion”為題發(fā)表在Chem & Bio Engineering上。同時，該成果已被美國化學學會發(fā)行的新聞周刊chemical?&?engineering?news（C&EN，全球最具權(quán)威和影響力的化學新聞來源之一。）以“New?hydrogel?offers?light-controlled?reversible?stickiness”為題報道。

以上工作得到了國家自然科學基金、中國科協(xié)青年人才托舉工程等項目的支持。