南京理工大学傅佳骏团队AFM：藤壶仿生策略实现水下对多种材料的即时牢固粘结

随着科技的发展，人类对于深水作业、生物医疗等领域的技术要求逐渐上升，水下粘结剂在水下修复、涂层、通信等方面发挥着重要作用，但由于水分子容易在粘结界面渗透并削弱粘结剂与基底的有效键合，开发具有瞬时和坚固粘附性能的水下粘结剂仍具挑战。针对该问题，南京理工大学傅佳骏教授团队受藤壶粘附蛋白结构启发，设计合成了一种具有即时粘附能力的水下粘结剂，实现了在多种基底材料上的长期牢固和可逆粘附，该粘结剂在多种恶劣环境中仍可保持坚固的粘结能力，在实际工业应用中表现出极大潜力。相关工作近期以“Barnacle-Inspired Underwater Adhesive with Instant, Robust, and Reversible Adhesion on Diverse Surfaces”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

藤壶这种海洋生物能在惊涛骇浪中牢牢附着在船体、岩石甚至同类身上，其秘密武器是体内的“粘附蛋白”。团队研究发现，藤壶蛋白的魔力在于疏水氨基酸（驱水先锋）与亲水氨基酸（粘附主力）的完美协作：前者能快速排开物体表面的水分子，后者则趁机与基底建立牢固的连接（图1）。受其亲-疏水氨基酸排列结构启发，该团队设计合成了一种侧链含有疏水含氟长链的聚（脲-氨酯）材料（PUU-FPD），其网络中含氟疏水结构作为“触角”可有效排除粘结剂与基底材料之间的水分子，从而促使高分子内部活性“锚点”与基材表面形成氢键作用（图1），达到瞬时强力粘结，随着粘附时间的增长，该水下粘结剂在多种基底材料（如钢板、陶瓷、玻璃、PMMA、PTFE等）间的粘附力逐渐上升，最高达到1.62 MPa。

图1 藤壶粘附蛋白和PUU-FPD水下粘结剂结构及其在水下对多种材料的粘附展示

该研究进一步通过红外光谱分析、原位拉曼测试、原子力显微镜和分子动力学模拟等测试证实了PUU-FPD网络内部疏水含氟长链可有效削弱氢键键合，降低材料内聚能，排除粘结界面的水分子，释放氢键位点从而 在基底材料上 达到即时粘附（图2）。此外， 由 亲-疏水结构构成的PUU-FPD水下粘结剂在多种恶劣环境（如强酸、强碱、超低温）中仍可维持坚固的粘结能力。在-50℃时，其对钢板的粘附力高达3.72 MPa，大大拓展了该水下粘结剂的使用环境（图3）。由于高分子网络内部动态氢键的存在，该粘结剂展现了可逆脱粘-再粘附的性能，推动了可循环回收水下粘结剂的发展。

图2 PUU-FPD水下 粘附机理探究

图3 PUU-FPD水下粘结剂在强酸、强碱、超低温等环境中的牢固粘附性能

综上所述，该研究提出藤壶仿生策略， 开发 了一种具有亲疏水协同效应的坚固水下粘结剂，该材料对多种基底材料展现了瞬时强韧粘附能力，以及广泛的环境普适性和按需剥离、超强密封等性能，有望用于可持续水下粘结 、密封等多个 领域。

来源：高分子科学前沿

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