科研速递 | 理工学院张祺教授与中科院长春应化所段晓征合作在Nature Communications上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院张祺助理教授和中科院长春应用化学研究所段晓征副研究员在水下粘附材料领域取得新进展，相关成果以“Autonomous underwater adhesion driven by water-induced interfacial rearrangement”为题发表于Nature Communications期刊。

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期刊介绍

Nature Communications是Springer旗下Nature系列的顶级期刊，是一本致力于发表高质量、创新性自然科学研究的多学科杂志。涉及领域包括物理、化学、生物学、医学、地球科学等。该期刊最新影响因子为16.6，JCR分区Q1。

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研究背景

近年来，随着人类对海洋及各种水环境的探索日益深入，水下胶粘剂材料备受瞩目。然而，现有水下胶粘剂通常依赖于光、热固化或外部力实现稳定的粘附，其在复杂多变的水下环境实用性有限。因此，实现无需外力的水下自动粘附对水下工程领域的拓展具有重要意义。

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研究内容

在该工作中，作者在疏水性的离子液体中，通过光引发聚合，将常见的疏水单体（甲基丙烯酸苄酯）和亲水单体（甲基丙烯酸羟乙酯）在少量交联剂的作用下集成在聚合物网络中。通过精准控制交联度、塑化程度和整体亲水性，该材料展现出理想的水下自动粘附特性（图1）：

1）材料能吸收粘接界面的水合层；

2）当水分子进入后，疏水单元从原有的平衡体系中分离并聚集；

3）聚集后的疏水单元与基材形成较强的疏水相互作用，同时材料保持整体疏水性，以避免水环境对聚合物网络的破坏。

图1. 水下自动粘附的概念展示

与目标基材接触时，该材料的初始粘附能较低（< 100 J·m^-2），但在水下粘接24小时后，粘附能增加了超过五倍。这一自增强过程无需施加任何外部载荷，并且与接触时的预紧力无关。由于AUA主要依赖于疏水相互作用，粘附能随浸泡时间而增加在疏水基材中表现尤为显著。此外，在蒸馏水、自来水和海水等不同水环境中，该材料均能形成稳定的长期（超过14天）粘附（图2）。

图2. 水下自动粘附材料的粘接性能

研究从多个角度对AUA的机理进行了解释：热重分析、玻璃化转变温度和静态力学测试的结果表明，少量水对该材料产生了明显的塑化效应；动态力学分析和应力松弛测试的结果表明该塑化过程主要破坏的是由物理交联形成的牺牲网络；通过Oliver-Pharr方法计算得出的等效模量和小角X射线散射的结果展示了材料在两个表面（即暴露面和粘接面）上的相对均匀性；水接触角测试显示材料两面的亲疏水性差异；衰减全反射傅里叶变换红外光谱证实了水分子将原牺牲网络瓦解并重排的假设。这些结果都指向了基团可能在水诱导下发生取向从而形成界面粘附。最后，为了进一步研究水诱导后亲疏水基团在界面上的重新排布，利用粗粒化模型模拟了无水和有水状态下材料内部基团的垂直分布。结果显示，疏水单元富集在接近粘接界面区域，而亲水单元则向内部收拢，这与前文中的假设高度吻合（图3）。

图3. 基团在界面重新排列的分子动力学模拟

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研究结论

该研究改变了传统水下粘附材料领域中将水视为不利因素的刻板印象，利用自然界中无处不在的水分子驱动了材料界面生长和融合。这种具有高度自发性、无需被动能量输入的粘附材料的发展及其工作机制的理解为特种胶粘剂的设计和制备提供了新的思路，该材料适用于以“回归自然”为主题的未来工程场景。

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作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）张祺助理教授和中国科学院长春应用化学研究所段晓征副研究员。

张祺，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授、助理院长。中山大学本科，浙江大学博士，加拿大 McMaster大学博士后。2018年3月起任职于香港中文大学（深圳）理工学院。研究方向：聚合物产品工程、智能高分子、高性能粘接材料等。在Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Macromolecules等高分子材料相关国际核心期刊发表学术论文80余篇；拥有授权中国发明专利22项，授权美国专利3项。担任深圳市先进材料产品工程重点实验室副主任，兼任深圳先进高分子材料研究院技术总监。入选“未来化工学者”（2021年）、香港中文大学（深圳）“校长青年学者”。

段晓征，中国科学院长春应用化学研究所副研究员。东北师范大学本科，中科院长春应化所博士，美国密歇根理工大学博士后。近年来致力于先进能源、材料体系的基础理论与模拟研究。迄今已在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Joule、Adv. Funct. Mater.、Macromolecules等国际核心期刊发表论文60余篇，入选 “中科院区域发展青年学者” 及 “吉林省高层次人才”。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）博士生姚乐。

姚乐， 香港中文大学（深圳）2021级博士研究生。目前主要从事高分子基智能材料、高分子凝胶网络、水下胶粘剂等研究。

供稿 | 张祺教授团队

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