濕黏附在機(jī)械工程、海洋技術(shù)和醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，在固-固界面含水粘接過(guò)程中，水分子的存在極易導(dǎo)致粘合失效，這主要是因?yàn)榻缑嫠璧K了膠黏劑與基材之間的接觸和分子間相互作用的形成。對(duì)于界面水的去除，研究人員已進(jìn)行了各種嘗試，如界面吸水、疏水排斥和擠壓，但這些方法并不能實(shí)現(xiàn)界面水的完全去除，很難保證界面的高性能黏附。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周峰研究員團(tuán)隊(duì)，提出了基于物理化學(xué)耦合的多尺度深度去水化機(jī)制，并基于該機(jī)制發(fā)展了一種水下自適應(yīng)增強(qiáng)的膠黏劑（SLU-adhesive），實(shí)現(xiàn)了苛刻環(huán)境下（高/低pH、海水）牢固的水下粘接（1600 kPa），在水下固沙、水下修復(fù)和黏附失效檢測(cè)方面獲得了應(yīng)用驗(yàn)證。

圖1 水下膠黏劑去水化過(guò)程及自適應(yīng)黏附示意圖

　　以上工作中物理化學(xué)耦合的多尺度去水化機(jī)制包括憑借優(yōu)異的潤(rùn)濕性實(shí)現(xiàn)在毫米尺度對(duì)界面水的物理替代；通過(guò)膠黏劑中異氰酸酯片段與水的化學(xué)反應(yīng)而形成的氣膜，實(shí)現(xiàn)在微米尺度對(duì)界面水的物理屏蔽；在分子尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)界面結(jié)合水的消耗。SLU-adhesive這一系列瞬時(shí)自發(fā)的接觸、鋪展、潤(rùn)濕和凝膠化過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)基底表面的牢固粘接。

圖2 SLU-adhesive水下動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)和黏附過(guò)程

圖3 氣膜去除界面水的動(dòng)態(tài)過(guò)程

　　SLU-adhesive表現(xiàn)出優(yōu)異的水下黏附性能和廣泛的基材適用性，在淡水、海水和不同pH水體環(huán)境（pH=3至11）中，均實(shí)現(xiàn)了從無(wú)機(jī)到有機(jī)材料表面的高性能黏附，其峰值超過(guò)1600kPa。良好的黏附性能和無(wú)外界能量輸入的自適應(yīng)增強(qiáng)特性，使SLU-adhesive在水下固沙、水下修復(fù)甚至黏附故障檢測(cè)方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖4 SLU-adhesive的黏附性能

圖5 SLU-adhesive應(yīng)用驗(yàn)證

　　研究人員針對(duì)固-固黏附過(guò)程中界面水對(duì)水下黏附的影響機(jī)制研究，提出了一種物理化學(xué)耦合的多尺度去水機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了黏附界面水的深度去除，屏蔽了水對(duì)界面黏附的影響，配合膠黏劑的自適應(yīng)凝膠化，獲得了水下的高強(qiáng)度黏附。該物理和化學(xué)耦合的多尺度深度去水化機(jī)制對(duì)水下黏附材料的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

　　相關(guān)研究成果以“Water-assisted strong underwater adhesion via interfacial water removal and self-adaptive gelation”為題發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) (10.1073/pnas.2301364120)上。蘭州化物所博士生秦晨曦為論文第一作者，馬延飛助理研究員、賀曦敏教授和周峰研究員為通訊作者。

　　以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等項(xiàng)目的支持。