文 ｜ 《中國科學(xué)報》 記者 葉滿山

在自然界中，壁虎能在垂直的玻璃上自由爬行，樹蛙能在雨林濕滑的葉片上穩(wěn)穩(wěn)附著。這些生物的“超能力”源于其快速可逆的黏附狀態(tài)切換機(jī)制。

近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所（以下簡稱蘭州化物所）研究員周峰團(tuán)隊與西北工業(yè)大學(xué)的研究人員合作，通過仿生科學(xué)與材料技術(shù)的結(jié)合，成功解鎖了光控智能黏附材料的“新密碼”。

智能水凝膠黏附材料。蘭州化物所供圖

該成果不僅讓實驗室里的水凝膠材料擁有了“黏”與“脫”的自由切換能力，更為醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域的技術(shù)革新提供了新思路。相關(guān)論文發(fā)表于《化學(xué)與生物工程》。

“傳統(tǒng)膠帶撕下來時會疼，醫(yī)用敷料揭掉時可能二次損傷皮膚，這些痛點讓我們開始思考，能否設(shè)計一種像壁虎腳掌那樣‘按得牢、撕得輕’的智能材料？”周峰道出研究初衷。

壁虎的腳趾覆蓋著數(shù)百萬根納米級剛毛，這些剛毛通過范德華力（分子間的吸引力）牢牢吸附在任何物質(zhì)表面，無需黏性物質(zhì)即可實現(xiàn)瞬時強(qiáng)黏附。更神奇的是，壁虎只需改變腳趾角度，就能瞬間“解鎖”黏附力，輕松脫離。而樹蛙的腳趾則依賴微米級溝槽和自分泌黏液，在潮濕環(huán)境中保持穩(wěn)定附著，展現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性。

“仿生的難點在于，生物的精妙結(jié)構(gòu)和動態(tài)調(diào)控能力難以直接復(fù)制到人工材料中?！敝芊逄寡裕氨热绫诨偯募{米精度制造成本極高，樹蛙的黏液分泌需要復(fù)雜的生物系統(tǒng)支持?！?/span>

而人工材料往往依賴光、熱等外部刺激，響應(yīng)速度和環(huán)境適應(yīng)性受限。盡管挑戰(zhàn)重重，研究人員還是通過仿生結(jié)構(gòu)簡化、動態(tài)聚合物開發(fā)等策略逐步實現(xiàn)類自然界的“智能黏附”。

團(tuán)隊設(shè)計了一種“光控水凝膠”：將光熱納米顆粒四氧化三鐵嵌入溫敏性水凝膠基體中。當(dāng)紅外光照射時，納米顆粒將光能轉(zhuǎn)化為熱能，觸發(fā)水凝膠表面分子的“隱身術(shù)”——原本暴露的黏附基團(tuán)被親水性基團(tuán)覆蓋，黏附力從類似醫(yī)用膠帶的9.86千帕驟降至接近無黏附的0.26千帕。最為關(guān)鍵的是，撤去光源后，材料迅速恢復(fù)高黏附狀態(tài)，且10次循環(huán)后無任何殘留。

“這就像給材料裝上了‘光控開關(guān)’，紅外光照或不照就能遠(yuǎn)程指揮它黏住或松開?！敝芊逍蜗蟮卣f。

要理解這種材料的“魔法”，需要深入到分子層面。研究團(tuán)隊將水凝膠比作“小抓手”和“小雨傘”——負(fù)責(zé)黏附的兒茶酚基團(tuán)和負(fù)責(zé)保護(hù)的羧酸基團(tuán)。

周峰解釋說：“我們可以想象，水凝膠表面有很多小抓手和小雨傘，紅外光負(fù)責(zé)傘的打開與閉合。當(dāng)沒有光的時候，傘葉閉合，小抓手就可以抓住任何外來物體；一旦光控制傘葉打開，小抓手就被傘葉罩住，削弱了小抓手的捕獲能力?！?/span>

其中，小抓手就是水凝膠中的黏附基團(tuán)兒茶酚，而傘葉就是羧酸基團(tuán)。光是怎么告訴傘葉打開和關(guān)閉的呢？這與水凝膠中的四氧化三鐵納米粒子和溫敏性官能基團(tuán)有關(guān)。

智能水凝膠材料可逆黏附機(jī)制示意圖。蘭州化學(xué)物理研究所供圖

納米粒子能夠吸收光，并將其轉(zhuǎn)化為熱，而N-異丙基丙烯酰胺基團(tuán)能夠通過熱把自身從親水狀態(tài)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，從而降低水凝膠的儲水能力，使得一部分水從表面滲出。滲出的水誘導(dǎo)羧酸基團(tuán)遷移到表面，也就是傘葉打開。反之，不用光照射，傘葉關(guān)閉。

實驗中，團(tuán)隊意外發(fā)現(xiàn)，水分子不僅是物理屏障，還會引發(fā)表面分子構(gòu)象的動態(tài)變化?！捌鸪跷覀冎豢紤]到表面水的滲出，想當(dāng)然地認(rèn)為高溫下表面黏附性能的削弱主要源于水分子阻隔了界面接觸。但后來發(fā)現(xiàn)，表面水的出現(xiàn)還牽扯一系列分子構(gòu)象的變化，而這些變化才是影響界面黏附的關(guān)鍵?！敝芊鍙?qiáng)調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)推翻了早期假設(shè)，也讓團(tuán)隊對界面黏附機(jī)制有了更深理解。

對于智能黏附材料來說，是否經(jīng)得起可逆循環(huán)是評價其性能優(yōu)異性的標(biāo)準(zhǔn)，這與未來的潛在應(yīng)用場景有關(guān)。

在醫(yī)療領(lǐng)域，燒傷等大創(chuàng)面深度傷口極易給患者帶來感染風(fēng)險，采用水凝膠類皮膚敷料代替皮膚保護(hù)傷口是常見的防護(hù)策略。然而，常規(guī)敷料的高黏附特性在去除時會給患者帶來極大痛苦，具有按需黏附的光控水凝膠可在敷料揭除時保持低黏附，減輕患者疼痛，而在敷于傷口時則實現(xiàn)高黏附。

“想象一下，醫(yī)生只需用紅外光筆輕輕一照，敷料就能輕松脫離傷口，同時保持濕潤環(huán)境促進(jìn)愈合。”周峰描繪了這一場景。

此外，在機(jī)器人領(lǐng)域，這種材料有望成為“輕量化黏附足部”的理想選擇?！败涹w機(jī)器人需要在垂直甚至倒掛的表面快速移動，傳統(tǒng)電磁或真空吸附系統(tǒng)又重又耗能。而我們的材料僅需一束光，就能實現(xiàn)高效攀爬?！敝芊逖a(bǔ)充道。

柔性電子設(shè)備同樣受益匪淺。未來，智能手表或健康監(jiān)測貼片可能通過光控黏附技術(shù)實現(xiàn)“按需貼合”，既避免皮膚過敏，又能確保傳感器與皮膚穩(wěn)定接觸。

這項突破并非一蹴而就。周峰回憶，幾年前，團(tuán)隊一直攻關(guān)高強(qiáng)韌黏附水凝膠材料，偶然發(fā)現(xiàn)一種材料在多次按壓后黏性驟降?！霸摤F(xiàn)象引發(fā)了我們的極大興趣，經(jīng)過對材料的成分分析、機(jī)理驗證等，才知道原來在多次按壓以后，手部溫度傳遞到凝膠表面，致使凝膠發(fā)生相變，呈現(xiàn)低黏附態(tài)?！边@讓團(tuán)隊意識到，溫度可能是調(diào)控黏附性能的鑰匙。

智能黏附材料的光控演示。

從偶然現(xiàn)象到可控機(jī)制，團(tuán)隊歷時數(shù)年驗證了光熱效應(yīng)與分子遷移的協(xié)同作用。“科學(xué)研究往往源于對異?，F(xiàn)象的好奇心。這次偶然發(fā)現(xiàn)提醒我們，基礎(chǔ)研究的價值在于為應(yīng)用打開新窗口?！敝芊灞硎荆拔覀冋谔剿鞲呔鹊目臻g控制和更低能耗的響應(yīng)機(jī)制，希望這種材料未來能成為智能裝備的‘柔性關(guān)節(jié)’，讓技術(shù)更貼近生命的需求。”

《中國科學(xué)報》 (2025-04-24?第3版?綜合)

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