光一照就松开？中国科学家造出"壁虎脚"仿生新材料

你是否幻想过像蜘蛛侠一样飞檐走壁？又或是像壁虎能在光滑的玻璃窗上倒挂金钩？中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国实验室的最新研究，让这种“超能力”离现实更近一步——他们研发出一种高/低黏附力切换材料，不仅能像壁虎脚一样牢固黏附物体，还能通过光照瞬间“松开”，将传统黏附材料升级为按需改变黏附力的智能黏附材料。

图片来源：veer图库

自然界的黏附大师：壁虎的脚掌密码

当科学家把壁虎脚掌放大1000倍，发现了令人惊叹的微观世界。每平方毫米分布着约1.4万根刚毛，相当于把一个人所有的头发集中于指甲盖大小的区域。而每根刚毛末端又分裂出数百个纳米尺寸的绒毛，这些绒毛通过微观作用力（范德华力，即原子间微弱的吸引力）与接触面产生吸附力，使壁虎能够轻松攀爬垂直表面。这就像无数个非常小的吸盘协同工作，并最终得到了远远超过壁虎自身重量的黏附力，从而可以克服重力的影响，使壁虎可以在与地面垂直的墙体或者树木表面静置。更神奇的是，壁虎在运动的过程中，能通过倾斜绒毛快速脱离接触面，实现飞檐走壁的效果。这种“按需黏附”的机制，为科学家开发相关人工材料提供了灵感。

传统材料的困境：黏附技术的瓶颈

过去20年，科学家以壁虎以及自然界其它生物为参考，努力模仿这种黏附效果，开发了各类仿生胶带，但始终无法突破两个关键难题：

1. 黏附力衰减：传统材料（如生活中常见的便利贴）的黏附力会随使用次数快速衰减，虽然粘在书本或者墙体表面可以轻松剥离，但是第二次甚至第三次重新黏附时，黏附效果大大下降；
2. 无法自由控制：还有一个难题是，一旦黏附，胶带只能强行剥离，无法实现反复使用。例如，胶带从纸张上撕下时，常会带走部分纸纤维，因此无法反复使用。

我们从上述例子中不难看出，在不牺牲黏附力的前提下满足黏附力的按需控制是传统黏附材料无法实现的弊端。

光的魔法：让材料“学会思考”

为了在人工合成材料体系中实现高/低黏附态的快速可逆转换，兰州化物所周峰团队独辟蹊径，从两种生物中获得灵感：壁虎的微结构黏附机制和树蛙的黏液分泌调节能力，研发出一种光控智能黏附材料。

他们将具有光热响应（在红外光源的照射下可以发热，将光能转化为热能）的四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒掺入软体水凝胶材料，研发了一种通过近红外光远程控制的黏附性能可逆切换贴片。这种材料的设计包含三重智能结构：

——黏附层：受海洋生物的启发，含有类似化学成分可以与各类基材形成丰富的弱相互作用。

——响应层：嵌入Fe₃O₄纳米颗粒，可将光能转化为热能。具备温度响应特性的化学组分，在45℃以上可以发生分子构象的变化。

——支撑层：柔性水凝胶基底（一种高含水量的软胶状物质），赋予材料拉伸性和一定强度（类似于透明胶带）。

当近红外光（一种不可见热辐射光）照射时，纳米颗粒迅速升温至45℃，由于其均匀分散在水凝胶内部，从而使水凝胶整体温度升高，引发响应层内部热响应化学组分的结构变化从而遮盖黏附层与基材形成相互作用力的黏附基团，在0.3秒内将黏附力下降97%。这就像给材料装上了“光控开关”，在远程即可实现黏附力大小的精准操控。

性能突破：超越自然的精准控制

通过相关科学测试手段对材料性能进行综合评估，研究团队发现这种材料的性能指标远高于目前市面常见的传统黏附材料：

1. 黏附强度：1平方厘米材料可垂直吊起5kg重物（相当于一大桶矿泉水）。

2. 循环寿命：经历2000次黏附-脱离循环后，黏附性能仍然保持90%以上，展现出该材料非凡的耐用性能（传统仿生胶带通常不足100次）。

3. 响应速度：光照触发脱黏在几秒内即可完成，真正实现了用之即黏，取之即脱。正如下图中所示，研究团队演示了该材料在不锈钢基板上的光热响应行为，初始状态下可稳定悬挂50g重物，近红外光照后因黏附性能切换而黏附失效。

4. 基底适应性：在不锈钢、玻璃、塑料等材料表面均表现出强黏附性（黏附强度7-9千帕，相当于每平方厘米承受约1公斤力）。

1. 创新优势：协同整合了温敏性化学组分与光热纳米颗粒，实现了材料黏附性能的远程精准调控，将按需黏附从科幻走进现实。

图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所

科学解析：水凝胶的化学密码

这项研发的材料背后涉及的黏附机理以及切换原理值得深入解读：

1. 温度响应单元：N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）成分使水凝胶在45℃发生相变（类似煮鸡蛋时蛋白凝固），触发内部非黏附基团的外露，从而遮盖黏附功能单元，实现从黏到不黏的转换。

2. 光热转换单元：均匀分布在材料内部的Fe₃O₄纳米颗粒高效吸收近红外光，将光能转化为热能从而使材料整体均匀升温，以激活温度响应单元。

3. 黏附功能单元：仿海洋生物的化学组分，通过一系列弱的微观作用力与基材实现牢固结合。

4. 智能调节机制：升温时，水凝胶由于相变在表面释放水分，从而诱发内部亲近水分子的化学成分羧酸基团（-COOH）迁移至黏附材料与被黏基材的界面，掩盖黏附基团，大幅降低水凝胶与基材间的作用力，从而减小黏附力。在移除红外光场，材料降温时黏附基团重新暴露，材料黏附力可重新恢复。

这种“化学开关”设计巧妙规避了传统黏合剂的残留问题，实现了真正的无痕可逆黏附。

未来应用：科幻照进现实

从医疗到太空探索，智能黏附材料正将科幻场景变为现实。

在医疗领域，智能创可贴将通过简单光源或热源控制黏附，避免换药时撕裂伤口，带来革命性的改变。在太空科技方面，这类可切换黏附的智能材料未来有望用于太空机械臂，实现舱外修复所需的可控抓取与释放。

这项研究的核心突破在于将生物灵感转化为可工程化的化学设计。正如该研究团队成员在研究过程中一贯的目标：“不是简单模仿自然，而是从自然中寻求答案，用自然原理创造超越自然的仿生材料”。未来，通过集成更多响应模块（如磁场变化、pH值变化），这类材料或将成为软体机器人、可穿戴设备的“智能皮肤”，开启黏附材料的智能时代。

出品：科普中国

作者：杨灏（中国科学院兰州化学物理研究所）

监制：中国科普博览