界面黏附的多尺度调控

润湿、黏附和润滑是表面属性的三个基本概念。其中，润湿和黏附、润湿和润滑之间的关系已经明确，而黏附和润滑这两个极端性状之间有什么联系？有无可能实现“黏”与“滑”之间的相互切换？近日，中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究员（点击查看介绍）团队提出了一种动态多尺度接触耦合调控设计方法，发展了一种大跨度可逆黏-滑调控的智能水凝胶材料，实现了“黏”与“滑”之间的相互切换。

对于攀爬机器人、驱动器、伤口敷料和生物电子等领域而言，发展具有按需黏附的、界面无残留的、快速切换的、高性能的大跨度可逆黏附材料十分重要。然而，大多数材料的可逆黏附仅凭借介观尺度或微观尺度的接触调控，这种单一尺度的接触变化很难实现界面大跨度的黏附控制，甚至其他尺度上不可控/混乱的接触可能会削弱单一尺度规律的接触变化。因此，在附着/分离期间，实现高黏附和超低黏附（润滑）状态之间的大跨度可逆调控对于简单的、单一尺度的固-固接触而言是困难的，动态多尺度接触的耦合协同作用是大跨度黏附调控的必由之路。

图1. 黏-滑自由切换水凝胶的机理。图片来源：Nat. Commun.

中科院兰州化物所研究团队设计制备了一种黏-滑自由切换的水凝胶材料（DMCS-水凝胶），该材料在分子尺度，基于水凝胶表面的去水化和水化导致黏附分子的暴露和屏蔽，继而影响微观尺度的界面相互作用；在介观尺度，基于表面粗糙度和模量的可逆变化，进一步影响介观尺度的真实接触和接触速率。最终，通过动态多尺度接触的耦合调控，实现了黏附和润滑状态之间的快速切换。

图2. DMCS-水凝胶的可逆黏附特性。图片来源：Nat. Commun.

该可逆黏附水凝胶材料表现出优异的温度响应性能，实现了润滑和黏附状态的快速、自由的切换，并且该智能黏附转变适用于多种基材，如木材、铁片、玻璃、硅片、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等；最大黏附开关比达240倍，具有良好的循环稳定性。总而言之，该团队利用分子构象重排、模量调控和粗糙度变化，构建了基于微观和介观尺度接触协同作用的动态多尺度黏附系统，实现了“黏附”到“润滑”的跨状态调控，该方法和机制的出现将为更高性能的可逆黏附软材料设计提供新思路。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是兰州化物所的博士研究生张芝芝，通讯作者是周峰研究员和马延飞助理研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Design of large-span stick-slip freely switchable hydrogels via dynamic multiscale contact synergy

Zhizhi Zhang, Chenxi Qin, Haiyan Feng, Yangyang Xiang, Bo Yu, Xiaowei Pei, Yanfei Ma & Feng Zhou

Nat. Commun., 2022, 13, 6964, DOI: 10.1038/s41467-022-34816-2

团队负责人简介

周峰，研究员，中科院兰州化学物理研究所所长，固体润滑国家重点实验室主任，国家杰出青年基金获得者。2004年中科院兰州化学物理研究所获得博士学位，师从刘维民院士。2005年4月—2008年3月英国剑桥大学化学系做研究助理，2008年3月起就职于中科院兰州化学物理研究所。中国化学会会员、理事、中国化学会青年化学工作者委员会副主任委员，中国机械工程学会摩擦学分会副主任委员、润滑材料与摩擦化学专业委员会主任委员，甘肃省化学会副理事长。从事软物质界面与材料、海洋防污、减阻降噪和生物润滑的研究。研究工作在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.、JACS、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文500多篇，共被引用27000多次，h因子89。授权中国专利100余件，在国内外会议做邀请报告50余次。获得2015年国家自然科学奖二等奖（排名第一）；2017年何梁何利科学与技术创新奖；2018年甘肃省自然科学奖一等奖（排名第二）；2020年获全国创新争先奖（第二届）；2020年甘肃省专利发明人奖；2020年甘肃省技术发明奖一等奖（排名第一）; 2021年中国化工学会技术发明一等奖（排名第二）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/16701