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有人把小黄鸭粘在海边,1年了也没被冲走!全网都在要胶水链接

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在日本北海道的海边,一只黄色的橡皮鸭被牢牢地粘在一块礁石上。任凭海浪不断拍打,潮起潮落,这只玩具鸭却纹丝不动。

图片来源:Nature

这不是整活,也不是恶作剧,而是北海道大学研究团队正在进行的一项严肃实验——他们要测试一种全新的水下超强粘合材料。

水下粘合,502胶也不管用

为什么要研究在水下的粘合材料?

想象一下,在海洋开发、水下设备维修、海洋科学研究等领域,工程师和科研人员常常需要在水下完成各种任务,比如结构粘合或传感器固定。又比如,在水产养殖等海洋农业活动中,对水下的网箱、管道等设施进行快速有效的修补也是必不可少的 。

水下粘合剂的应用场景丨Nature

然而,传统的粘合剂在潮湿或水下环境中往往会性能下降甚至完全失效。比如说大家常用的502胶,它需要利用物体表面微量的湿气来快速变硬,但在水下使用时,大量的水瞬间涌入,导致胶水还没来得及接触物体,自己就瞬间变成了一团无用的固体,自然就粘不住东西了。

不过,大自然中有些生物却完美解决了这个问题。比如贻贝能在海浪冲刷的礁石上安家,任凭风吹浪打也不松动;有些细菌能在下水道这种极度潮湿的环境里形成顽固的菌膜,让清洁工人头疼不已。

礁石上的贻贝丨veer图库

它们的秘密武器,就是体内特殊的粘附蛋白。以贻贝为例,它们分泌的贻贝足丝蛋白富含一种叫多巴(DOPA)的特殊氨基酸。多巴分子就像一个个微小的吸盘,能牢牢吸附在各种岩石、金属甚至塑料表面。更关键的是,这些蛋白在接触到海水后,会迅速发生复杂的化学反应,形成一种坚韧且具有弹性的复合胶体不仅能抵抗海水的冲刷,还能吸收海浪的冲击力,这正是贻贝能在礁石上屹立不倒的奥秘。

贻贝丝上的蛋白大致分布丨参考文献[2]

向大自然“取经”

为了开发高性能水下粘合材料,科学家想到可以向大自然“取经”,研究生物体中粘附蛋白的功能来获取研究灵感。不过问题来了:自然界的粘附蛋白种类繁多,该选哪种来研究才最高效呢?

2024年,北海道大学的研究团队想出了一种特别的研究方法:他们不是研究一两种生物,而是一口气分析了24707种粘附蛋白!这些粘附蛋白的来源可谓五花八门:不仅有上面提到的贻贝,还有沙漠甲虫、深海细菌、病毒,甚至还有人工合成的。

通过多序列比对技术,研究人员识别出了每个物种粘附蛋白的共识序列,即在进化过程中被保留下来的关键片段。他们发现,尽管这些蛋白质序列看似杂乱无章,但在功能分类层面却存在着明显的模式。

通过数据挖掘、编码等方式处理粘附蛋白数据,提取氨基酸特征丨参考文献[1]

研究人员把组成这些蛋白质的氨基酸分成了六大类,每一类都有自己的“性格”:有些“怕水”(疏水类),像油一样排斥水;有些“亲水”(亲核类),喜欢和水打交道;有些带正电(阳离子类),有些带负电(酸性类);还有些含有特殊的化学结构(酰胺类和芳香类)。

研究人员通过统计发现,成功的粘附蛋白都有自己的“配方偏好”。比如大肠杆菌的粘附蛋白,特别喜欢把“怕水”和芳香类氨基酸放在一起,而贝类的粘附蛋白则更偏爱带正电和芳香类氨基酸的组合。

AI助力打造超级粘合剂

找到粘附蛋白的组成规律后,为了将其转换为实用的粘合材料,研究团队采用了一个巧妙的策略。他们选择了六种化学单体(可以理解为乐高积木的基本块),每种代表一类氨基酸的特性,然后像搭积木一样,按照从生物蛋白中学到的“配方”,把这些单体组合成新材料。

六种功能单体的化学结构,每种代表氨基酸六大功能类别之一丨参考文献[1]

研究团队一口气合成了180种不同的水凝胶,测试发现,其中16种的粘附力超过了100千帕斯卡(kPa)。作为对比,在干燥条件下,普通胶带的粘附力约为10-50kPa,502胶水约为500kPa。虽然新材料的粘附力暂时还比不上502胶水,但在有水环境下已经是巨大的突破。

注:粘附力,即把粘在一起的两个东西分开所需要的力,单位通常用帕斯卡表示。1帕斯卡等于1牛顿的力作用在1平方米的面积上。

但团队的目标不止于此。他们想知道,粘附强度的极限在哪里?

如果继续用传统方法合成和测试材料,就如同大海捞针一样耗时耗力。于是,研究的第三阶段,他们请出了一位强大的新伙伴:AI。

研究人员分析了粘附蛋白的氨基酸序列,发现了若干特征性序列模式,并以此为依据设计粘附性水凝胶,同时利用AI对设计进行优化丨参考文献[1]

他们用9种不同的机器学习算法来分析这180种材料的数据,寻找配方和粘附力之间的关系。经过反复学习和预测,AI给出了新的配方建议。研究团队根据这些建议,又合成了几十种新材料。经过三轮优化,最终诞生了超级明星——R1-max

研究人员合成的R1-max等材料的外观丨参考文献[1]

R1-max的粘附力达到了惊人的1兆帕(1MPa = 1000千帕),相当于之前合成材料的近 7 倍!这是什么概念?一块指甲盖大小的R1-max,能在水下吊起10公斤的重物,相当于一个西瓜的重量。

R1-max之所以能在水下保持如此强大的粘合力,是因为其配方中的疏水类和芳香类结构扮演了“排水泵”的角色。当水凝胶接触物体表面时,这些成分能有效地将接触界面上的水分子排挤出去,从而创造出一个能让胶水与物体直接接触的“干燥”微环境。这解决了普通胶水在水下首先要面对的“水膜”隔离难题。

新的粘合剂有多强大?

回到故事开头的场景,那只被牢牢粘在海边礁石上的小黄鸭,正是R1-max的杰作。在真实海洋环境中,它经受住了海浪日复一日的冲击,展现了惊人的耐久性 。

图片来源:参考文献[1]

研究人员还进行了其他测试:他们用R1-max把两块玻璃板粘在一起,并在下面吊了1公斤的重物,然后把整个装置泡在盐水里。一年后,粘合依然牢固。不仅如此,R1-max对塑料、金属甚至猪骨等各种材料表面都表现出强大的粘附力。

为什么要粘附猪骨?因为在人体内部或潮湿的伤口上,普通粘合剂往往无法发挥作用 。这种新型水凝胶具有良好的生物相容性,未来有望应用于手术中,用于快速止血、封闭组织创口。

图中一块 R1-max(25 mm × 25 mm,厚约 0.4 mm)在生理盐水中承受 1 kg 载荷,将陶瓷(左)、玻璃(中)和钛板(右)粘接在一起,持续超过 1 年丨参考文献[1]

R1-max从猪骨表面剥离丨参考文献[1]

研究人员此后新合成的R2-max(R1-max的“兄弟”)更是创造了奇迹。他们在一个3米高的水管底部打了个2厘米的洞,水像喷泉一样喷涌而出,流速达到5.4米/秒。然后,他们用一小块R2-max往洞上一贴,水流瞬间停止,而且5个月都没有渗漏。作为对比,商业防水胶带FLEX TAPE在同样条件下,1.5小时就败下阵来。

R2-max成功修复管道底部的孔洞,超过 5 个月未见渗漏。凝胶干燥后变透明,仅孔周围出现浑浊区域,表明有水渗入。市售的 FLEX TAPE在相同条件下仅1.5 小时就出现渗漏。丨参考文献[1]

无论是海边屹立不倒的橡皮鸭,还是3米高的水管,这些实例成功地证明了新型粘合剂强大的粘附力和惊人的持久性。这项技术不仅解决了传统胶水在水下失效的难题,更为水下工程的紧急修复、医疗领域的生物粘合剂等应用场景带来了革命性的潜力。

更重要的是,这项研究还展示了一种全新的科研范式:从大自然中汲取灵感,利用AI进行优化,最终创造出超越自然的新材料。这种自然启发+AI赋能的模式,为未来新材料的研发开辟了无限可能。

参考文献

[1] Liao, H., Hu, S., Yang, H. et al. Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels. Nature 644, 89–95 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4

[2] Hwang, D. S. et al. Protein-and metal-dependent interactions of a prominent protein in mussel adhesive plaques. Journal of Biological Chemistry 285, 25850–25858 (2010).

作者简介 苏澄宇,科普作者。

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