你是否幻想過像蜘蛛俠一樣飛檐走壁？又或是像壁虎能在光滑的玻璃窗上倒掛金鉤？中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤(rùn)滑材料全國(guó)實(shí)驗(yàn)室的最新研究，讓這種“超能力”離現(xiàn)實(shí)更近一步——他們研發(fā)出一種高/低黏附力切換材料，不僅能像壁虎腳一樣牢固黏附物體，還能通過光照瞬間“松開”，將傳統(tǒng)黏附材料升級(jí)為按需改變黏附力的智能黏附材料。
圖片來源：veer圖庫(kù)
自然界的黏附大師：壁虎的腳掌密碼
當(dāng)科學(xué)家把壁虎腳掌放大1000倍，發(fā)現(xiàn)了令人驚嘆的微觀世界。每平方毫米分布著約1.4萬(wàn)根剛毛，相當(dāng)于把一個(gè)人所有的頭發(fā)集中于指甲蓋大小的區(qū)域。而每根剛毛末端又分裂出數(shù)百個(gè)納米尺寸的絨毛，這些絨毛通過微觀作用力（范德華力，即原子間微弱的吸引力）與接觸面產(chǎn)生吸附力，使壁虎能夠輕松攀爬垂直表面。這就像無數(shù)個(gè)非常小的吸盤協(xié)同工作，并最終得到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過壁虎自身重量的黏附力，從而可以克服重力的影響，使壁虎可以在與地面垂直的墻體或者樹木表面靜置。更神奇的是，壁虎在運(yùn)動(dòng)的過程中，能通過傾斜絨毛快速脫離接觸面，實(shí)現(xiàn)飛檐走壁的效果。這種“按需黏附”的機(jī)制，為科學(xué)家開發(fā)相關(guān)人工材料提供了靈感。
傳統(tǒng)材料的困境：黏附技術(shù)的瓶頸
過去20年，科學(xué)家以壁虎以及自然界其它生物為參考，努力模仿這種黏附效果，開發(fā)了各類仿生膠帶，但始終無法突破兩個(gè)關(guān)鍵難題：
- 黏附力衰減：傳統(tǒng)材料（如生活中常見的便利貼）的黏附力會(huì)隨使用次數(shù)快速衰減，雖然粘在書本或者墻體表面可以輕松剝離，但是第二次甚至第三次重新黏附時(shí)，黏附效果大大下降；
- 無法自由控制：還有一個(gè)難題是，一旦黏附，膠帶只能強(qiáng)行剝離，無法實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用。例如，膠帶從紙張上撕下時(shí)，常會(huì)帶走部分紙纖維，因此無法反復(fù)使用。
我們從上述例子中不難看出，在不犧牲黏附力的前提下滿足黏附力的按需控制是傳統(tǒng)黏附材料無法實(shí)現(xiàn)的弊端。
光的魔法：讓材料“學(xué)會(huì)思考”
為了在人工合成材料體系中實(shí)現(xiàn)高/低黏附態(tài)的快速可逆轉(zhuǎn)換，蘭州化物所周峰團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，從兩種生物中獲得靈感：壁虎的微結(jié)構(gòu)黏附機(jī)制和樹蛙的黏液分泌調(diào)節(jié)能力，研發(fā)出一種光控智能黏附材料。
他們將具有光熱響應(yīng)（在紅外光源的照射下可以發(fā)熱，將光能轉(zhuǎn)化為熱能）的四氧化三鐵（Fe?O?）納米顆粒摻入軟體水凝膠材料，研發(fā)了一種通過近紅外光遠(yuǎn)程控制的黏附性能可逆切換貼片。這種材料的設(shè)計(jì)包含三重智能結(jié)構(gòu)：
——黏附層：受海洋生物的啟發(fā)，含有類似化學(xué)成分可以與各類基材形成豐富的弱相互作用。
——響應(yīng)層：嵌入Fe?O?納米顆粒，可將光能轉(zhuǎn)化為熱能。具備溫度響應(yīng)特性的化學(xué)組分，在45℃以上可以發(fā)生分子構(gòu)象的變化。
——支撐層：柔性水凝膠基底（一種高含水量的軟膠狀物質(zhì)），賦予材料拉伸性和一定強(qiáng)度（類似于透明膠帶）。
當(dāng)近紅外光（一種不可見熱輻射光）照射時(shí)，納米顆粒迅速升溫至45℃，由于其均勻分散在水凝膠內(nèi)部，從而使水凝膠整體溫度升高，引發(fā)響應(yīng)層內(nèi)部熱響應(yīng)化學(xué)組分的結(jié)構(gòu)變化從而遮蓋黏附層與基材形成相互作用力的黏附基團(tuán)，在0.3秒內(nèi)將黏附力下降97%。這就像給材料裝上了“光控開關(guān)”，在遠(yuǎn)程即可實(shí)現(xiàn)黏附力大小的精準(zhǔn)操控。
性能突破：超越自然的精準(zhǔn)控制
通過相關(guān)科學(xué)測(cè)試手段對(duì)材料性能進(jìn)行綜合評(píng)估，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這種材料的性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于目前市面常見的傳統(tǒng)黏附材料：
1. 黏附強(qiáng)度：1平方厘米材料可垂直吊起5kg重物（相當(dāng)于一大桶礦泉水）。
2. 循環(huán)壽命：經(jīng)歷2000次黏附-脫離循環(huán)后，黏附性能仍然保持90%以上，展現(xiàn)出該材料非凡的耐用性能（傳統(tǒng)仿生膠帶通常不足100次）。
3. 響應(yīng)速度：光照觸發(fā)脫黏在幾秒內(nèi)即可完成，真正實(shí)現(xiàn)了用之即黏，取之即脫。正如下圖中所示，研究團(tuán)隊(duì)演示了該材料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。
4. 基底適應(yīng)性：在不銹鋼、玻璃、塑料等材料表面均表現(xiàn)出強(qiáng)黏附性（黏附強(qiáng)度7-9千帕，相當(dāng)于每平方厘米承受約1公斤力）。
- 創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)：協(xié)同整合了溫敏性化學(xué)組分與光熱納米顆粒，實(shí)現(xiàn)了材料黏附性能的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)調(diào)控，將按需黏附從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
圖片來源：中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
科學(xué)解析：水凝膠的化學(xué)密碼
這項(xiàng)研發(fā)的材料背后涉及的黏附機(jī)理以及切換原理值得深入解讀：
1. 溫度響應(yīng)單元：N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）成分使水凝膠在45℃發(fā)生相變（類似煮雞蛋時(shí)蛋白凝固），觸發(fā)內(nèi)部非黏附基團(tuán)的外露，從而遮蓋黏附功能單元，實(shí)現(xiàn)從黏到不黏的轉(zhuǎn)換。
2. 光熱轉(zhuǎn)換單元：均勻分布在材料內(nèi)部的Fe?O?納米顆粒高效吸收近紅外光，將光能轉(zhuǎn)化為熱能從而使材料整體均勻升溫，以激活溫度響應(yīng)單元。
3. 黏附功能單元：仿海洋生物的化學(xué)組分，通過一系列弱的微觀作用力與基材實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。
4. 智能調(diào)節(jié)機(jī)制：升溫時(shí)，水凝膠由于相變?cè)诒砻驷尫潘?，從而誘發(fā)內(nèi)部親近水分子的化學(xué)成分羧酸基團(tuán)（-COOH）遷移至黏附材料與被黏基材的界面，掩蓋黏附基團(tuán)，大幅降低水凝膠與基材間的作用力，從而減小黏附力。在移除紅外光場(chǎng)，材料降溫時(shí)黏附基團(tuán)重新暴露，材料黏附力可重新恢復(fù)。
這種“化學(xué)開關(guān)”設(shè)計(jì)巧妙規(guī)避了傳統(tǒng)黏合劑的殘留問題，實(shí)現(xiàn)了真正的無痕可逆黏附。
未來應(yīng)用：科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
從醫(yī)療到太空探索，智能黏附材料正將科幻場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
在醫(yī)療領(lǐng)域，智能創(chuàng)可貼將通過簡(jiǎn)單光源或熱源控制黏附，避免換藥時(shí)撕裂傷口，帶來革命性的改變。在太空科技方面，這類可切換黏附的智能材料未來有望用于太空機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)艙外修復(fù)所需的可控抓取與釋放。
這項(xiàng)研究的核心突破在于將生物靈感轉(zhuǎn)化為可工程化的化學(xué)設(shè)計(jì)。正如該研究團(tuán)隊(duì)成員在研究過程中一貫的目標(biāo)：“不是簡(jiǎn)單模仿自然，而是從自然中尋求答案，用自然原理創(chuàng)造超越自然的仿生材料”。未來，通過集成更多響應(yīng)模塊（如磁場(chǎng)變化、pH值變化），這類材料或?qū)⒊蔀檐涹w機(jī)器人、可穿戴設(shè)備的“智能皮膚”，開啟黏附材料的智能時(shí)代。
出品：科普中國(guó)
作者：楊灝（中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
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