智能黏附材料，因为其能够按需地附着和分离，已在攀爬机器人、驱动器、伤口敷料、生物电子学等领域具有广泛的应用。然而，大量的智能黏附体系都存在界面残留、控制系统复杂、分离过程中黏附力高等缺点。如何实现大跨度的黏附定制，即高黏附到超低黏附、甚至到润滑的可逆转变仍然是一个挑战。
基于此，中科院兰州化物所 - 材料表面与界面课题组 - 周峰研究员团队，报道了一种智能可逆黏附水凝胶材料（DMCS-水凝胶），通过动态多尺度接触耦合协同调控，实现了黏附和润滑状态之间的快速切换。研究成果以“Design of large-span stick-slip freely switchable hydrogels via dynamic multiscale contact synergy” 为题发表在《Nature Communications》上（10.1038/s41467-022-34816-2）。中科院兰州化物所张芝芝博士生为论文第一作者，周峰研究员和马延飞助理研究员为通讯作者。
（图片来源：Nature Communications）
具体而言，在低于临界转变温度（LCST）时，凝胶中的PNIPAAm极易与水分子形成分子间氢键，这时凝胶表面干燥且充斥着空气，疏水的碳链骨架和邻苯二酚等官能基团倾向暴露于表面，从而增加了界面微观尺度接触；此外，凝胶在低温条件下的低模量和低粗糙度增加了介观尺度接触，微观和介观尺度接触耦合致使整个表面最终呈现黏附态。而当温度高于LCST时，分子间氢键被破坏，水分子润湿凝胶表面导致羧基官能团向表面迁移以使表面自由能最小化，这一过程破坏了邻苯二酚基团与基底表面的相互作用，减小了微观尺度接触，且迁移到表面的羧酸官能团极易结合大量水分子形成润滑层；此外模量和表面粗糙度也随着温度增加而增加，进一步减少了介观尺度接触。微观尺度的界面相互作用屏蔽和介观尺度的表面粗糙化/高模量致使整个凝胶表面呈现润滑态。更重要的是，这种润滑和黏附态能够随着温度变化而自由切换。
（图片来源：Nature Communications）
（图片来源：Nature Communications）
（图片来源：Nature Communications）
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，建立了基于微观尺度和介观尺度协同作用的动态多尺度接触系统，发展了一种可逆地、动态地和快速地在黏附和润滑状态之间切换的智能表面构筑方法。该多尺度黏附机制对智能黏附材料的设计具有一定的指导意义。
以上工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和山东省自然科学基金重点研究项目等的资助。
相关链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34816-2
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