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观察蜗牛,发明可把学生粘在墙上的新材料,顺便发一篇PNAS
发布:Iron_MAN10   时间:2019/7/23 9:03:23   阅读:183 
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“我要一步一步往上爬,在最高点乘着叶片往上飞”——对于很多人来说,周杰伦的歌曲《蜗牛》都是青涩年华中的记忆(暴露年龄了各位……)。这首歌曲揭示了一个自然现象——蜗牛能粘附在物体的表面,拖着沉重的身体向上运动。其中,有一小部分的蜗牛具有超强的粘附能力,其中就包括法国料理中让人瑟瑟发抖却又频发真香警告的食用蜗牛。它们可以利用 “冬盖”(epiphragm)结构(也就是干燥后的粘液)将自己粘附在树上,这种粘附力大到只有用凿子才能把它们取下来。
 

食用蜗牛(Helix aspersa)的冬盖结构(顺便吐槽一句:笔者作为一个吃货一直觉得这东西吃起来和中国的螺蛳差不多)。图片来源:PNAS

受到蜗牛这种行为的启发,宾夕法尼亚大学Shu Yang教授课题组研发了一种乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)交联的聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(PHEMA)水凝胶超级粘合剂,不但具有超强粘性,而且粘附过程可逆,可轻松地取下。相关论文发表于《美国科学院院刊》(PNAS)上。
 

PHEMA水凝胶超级粘合剂。图片来源:PNAS

想象一下当你发快递装箱,或是要在表格上贴照片时,突然发现没有胶带或是胶水,尴尬不?……没错,你只能看着它们一声叹息。虽然都只是日常小物件,但是粘合剂确实是人类生活的刚需用品之一。古人类在20万年前就开始尝试从桦树皮中提取胶水,中国古人更是用面粉调制出了糨糊。但是目前的粘合剂很难调和粘附强度与可逆性之间的矛盾:很多强力胶(比如502胶)的粘合是不可逆的,当你把被502胶粘着的东西取下来时,往往会破坏粘合面(想想小时候被502支配的恐惧经历吧……);而便利贴上是可逆的,能重复使用,你可以很轻松地把便利贴从书上取下来然后再贴到桌子上,但是便利贴的粘性有限,很有可能几天后就会脱落下来。所以,研发出能够在粘附强度与可逆性之间达到平衡的粘合剂,具有非常大的现实意义。

Shu Yang教授团队所开发的粘合剂PHEMA是一种富含羟基的聚合物,从分类上来说是一种水凝胶。和所有的水凝胶一样,在吸水时PHEMA会变得柔软,而干燥后会变硬,但是与众不同的是,该材料在干燥后体积不会缩小,同时能够保留粘合力将不同表面粘合在一起。由于具有水凝胶柔软的结构,PHEMA可以适应多种界面,不论是平滑的玻璃界面还是凹凸不平的墙面,都可以实现有效的粘合,因此具有广泛的应用前景。当不再需要粘性时,只需要向粘合的地方滴一些水,PHEMA就会在几分钟后恢复柔软的状态并失去粘附力。粘性的可逆是PHEMA水凝胶的一大特点,但是最最重要的还是该材料出色的粘性,否则该研究也不会发表在PNAS上。
 

PHEMA水凝胶超级粘合剂在不平整表明上的应用。图片来源:PNAS

这种PHEMA水凝胶的粘性非常大,大到Shu Yang教授的课题组的研究生花费了一年的时间才找到合适的方法精确地计量出其粘性。因为粘性太大,大部分被PHEMA水凝胶粘住的物体在还没有被拉开前就已经被破坏。最终该课题组利用制作防弹衣的凯夫拉纤维(Kevlar)定制了设备,才成功得到了PHEMA水凝胶的粘附力——惊人的2.3 GPa。
 

用凯夫拉纤维特制的计量PHEMA水凝胶粘附力的装置结构。图片来源:PNAS

为了让这个惊人的数据更加直观一些,Yang课题组的研究生Jason Jolly勇敢地充当了志愿者,用两张邮票大小的PHEMA水凝胶将自己挂在了墙上(自行感受那尴尬又不失礼貌的笑容……)。
 

把学生粘在墙上。图片来源:PNAS

至于可逆性,作者也进行简单的展示,只需滴上几滴水,就可以在两分钟左右脱离。
 

PHEMA水凝胶粘上的重物加水即可脱离。图片来源:PNAS

当然了,PHEMA水凝胶并不完美,正是其可逆性成为了它最大的弱点。因为湿水就会失去粘性,而水在生活中又太过常见,所以限制了PHEMA水凝胶的应用场景。就拿笔者所在的江南地区来说,常年空气湿度50%以上,梅雨时节更是连绵大半个月的阴雨,在没有烘干设备的年代恨不得被子里都能挤出水来。在这样的环境下,PHEMA水凝胶显然是很难有用武之地的。虽然这样的材料的应用场景一定不会是日常生活,更多的是工业生产、精密制造等需要在多种表面之间实现超强粘合的领域,但是很多精密仪器要严格干燥,如果只是制造的过程中需要粘合的步骤然后再解除这种作用,显然用水去解除并不合适。Shu Yang教授的课题组也关注到了这个问题,在展望该研究时提出,后续的研究方向将着力于开发利用有机溶剂、光、电等途径实现可逆步骤的超级粘合剂。
 

PHEMA水凝胶与其它粘合材料、具有较大弹性强度的材料的性能比较。图片来源:PNAS

在应用材料领域,大自然为研究者提供了取之不尽的SCI宝库,就拿本文提到的粘合剂,其实生活中很多动物、昆虫都有着这方面的能力,比如壁虎、贻贝、章鱼、蟑螂、鼻涕虫等。这说明师法自然确实是科学研究的重要法门,这也是个不在实验室干活出门散心的好借口——在自然中寻找科研灵感!

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文https://www.pnas.org/content/116/28/13774):

Intrinsically reversible superglues via shape adaptation inspired by snail epiphragm
Hyesung Cho, Gaoxiang Wu, Jason Christopher Jolly, Nicole Fortoul, Zhenping He, Yuchong Gao, Anand Jagota, Shu Yang
PNAS, 2019, 116, 13774-13779, DOI: 10.1073/pnas.1818534116

导师介绍

Shu Yang
https://www.x-mol.com/university/faculty/49647


来源:X-MOL
 
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