牛！超材料粘合剂，登上Nature Materials，又强，又易剥离！

　　高粘合力、易剥离的超材料粘合剂

　　粘合剂已经在现有工业产品中被广泛引用。在粘合剂材料中，粘合强度和可逆剥离是一对不可调和的矛盾。粘合剂通常要么是粘合力且难以剥离，要么是粘合强度有限且可以重复剥离。然而，许多应用越来越需要克服这种性能矛盾的粘合剂，即要求有强大的粘附力，又要易于去除和延长重复使用。这种看似矛盾的特性组合在一些应用中很重要，如机器人需要实现抓取和释放，可穿戴电子器件、监测健康和提供药物的设备需要实现强附着力和易于取下等。这样可以减少浪费，实现材料重新使用和回收。

　　现阶段，控制粘附的材料特性方法通常集中于调整界面化学或耗散机械能。这些基于材料的机制可以产生非常强大的粘合剂，但往往没有释放机制实现可重复使用性。通过几何形状和刚度也可以控制着粘附性。即通过材料图案设计被动改变硬度，或用特殊的粘合剂主动改变硬度。该方法虽然可以实现可填的粘合力，但是实现机理往往都过于复杂。另外一种策略是在粘合剂中添加切口、切割或不连续的地方，这些特征使裂缝变钝或被困住。这增加了粘附力，但不利于粘合力的释放。实现粘合剂具有高粘合力的同时让粘合剂易于剥离仍旧在该领域是一重大挑战。

　　近期，弗吉尼亚理工大学的Michael D. Bartlett团队设计了一种超材料粘合剂，通过粘合剂薄膜中的程序化非线性切割架构，同时实现强大粘合力和可释放黏附的超材料粘合，并具有空间上可选择的粘附强度。非线性切割独特地抑制了裂纹的传播，迫使裂纹停止向后传播，使粘附力提高60倍，同时允许裂纹向相反的方向生长，以便于释放和重复使用。这种机制在潮湿和干燥条件下不同基材上的许多粘合剂中都可以发挥作用，并实现了高度可调控的粘附性，在任何位置同时在两个方向上具有独立可编程的粘附强度。这一设计为下一代粘合剂实现快速定制化的粘合剂特性。该工作以题为“Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation”的文章发表于Nature Materials上。

　　

　　超材料粘合剂的设计和机理

　　

　　超材料粘合剂主要通过粘合剂薄膜中的程序化非线性切割架构，实现了具有方向性、空间选择性的强大和可逆的粘附力。非线性切口由开放的多边形组成，通过捕获裂缝并迫使其反方向传播以获得高粘性，并允许其正常向前传播以获得低粘性，从而控制粘合剂裂缝的传播方式。相对于没有切割的相同材料，这种机制将粘附强度提高到60倍，同时也能通过反方向的剥离，实现与无图案的粘合剂一样的轻松剥离。这些特性允许独立控制粘附强度和可重复使用性。反向裂纹传播也可以调整任何薄膜位置的粘附强度，并且独特地实现了在薄膜的单一区域内同时在两个方向上对粘附强度进行编程。超材料粘合剂不依赖特定的化学或环境条件、微结构表面或主动或图案化的硬度来调整粘附力，而是利用非线性切割来系统地控制整个薄膜的粘附裂纹传播和方向。这种策略可以使用于不同材料，从而获得强大粘合力和可逆，包括强度超过3,000 N m-1 (J m-2)的粘合剂，也可通过这一策略实现粘合力的增强和重复使用。

　　

　　为了了解粘附力增强和定向释放的物理根源，通过绘制90°剥离实验中的裂纹前端速度与时间的关系来量化裂纹的传播行为。当粘合剂以恒定的正向速度分离，超材料粘合剂显示出不同的裂纹动态。裂纹在无图案的区域向前传播，当它通过互连体时加速，然后在矩形切割的底部被阻止，在那里裂纹速度下降到几乎为。进一步的加载使裂纹的扩展方向逆转，进入低剥离角的粘附矩形区域。在这个阶段，裂纹尖端附近的局部剥离角（α2）和由此产生的粘附力（F）开始增加，导致完全的粘合分层和能量释放。这种低角度的反向裂纹扩展只存在于最大力剥离方向，并导致粘附力急剧上升。无图案的粘合剂剥离过程中，裂纹只需要在低力作用时就可以向前传播。因此，定制化的图案使得超材料粘合剂具有优越的增强性、方向性和空间控制的粘附性。

　　超材料粘合剂的应用

　　

　　超材料粘合剂可以实现粘附的空间可调性。利用计算机辅助设计的数字制造和基于激光的减法制造来实现快速、无掩模地制造程序化的粘附轮廓。该文报道设计了具有 "HELLO "字母形状的矩形切割图案的粘合剂。较低的粘附力也可以通过局部减少宽度来实现。有了特定位置的可选择的粘附力，可以进一步设计空间各向异性的粘附力，其中一个特定的区域可以被编程为同时在两个方向有规定的粘附力。在离散的区域对粘附力进行空间编程，并通过在每个粘附区域引入第二组矩形切口来独立调整两个剥离方向的最大力，从而对方向性进行解耦。

　　

　　高粘性但又易于释放的能力对许多应用来说是至关重要的。为了证明超材料粘合剂在包装中的应用，在商业运输胶带中加入了切割图案的布局，这样强大的粘合力确保了各个方向的密封性，但粘合剂可以根据需要通过在特定方向的剥离而被移除。用超材料胶带密封的箱子在五次跌落冲击中承受了一块砖头（1550克）的重量和冲击，而用没有图案的胶带密封的箱子只在两次跌落后就完全崩溃了。超材料粘合剂还可以将物体挂在墙上，同时还可以很容易地取出。一个用超材料粘合剂挂在墙上的框架在超过7天的时间里没有观察到任何分层，然后很容易被释放，而用非图案粘合剂支持的框架在20分钟内脱。超材料粘合剂也可以应用于可穿戴的设备。一个超材料胶粘剂取放手套是通过激光加工在一个涂有弹性体的手套上的非线性切口而产生的。这使得用户可以拿起一个平面物体，可靠地握住它，然后通过手腕的旋转毫不费力地将物体释放到预定的位置。该材料也可以用于机器臂的抓取中。

　　小结：该文报道的超材料粘合剂策略可以在一系列粘合剂在不同的基材和条件下发挥作用，以增强粘附力，提供方向性，并同时在多个方向上实现粘合强度的调控。这种可编程粘附的反向裂纹传播机制也可能在其他断裂过程中带来新的思路，如增韧散装材料、微/纳米系统中的粘附控制和机器人运动的粘附。因此，这些超材料粘合剂可以作为不同材料和应用中粘附力的特殊控制的基础。

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　　来源：高分子科学前沿

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