從壁虎腳趾到“零殘留”智能材料

作為飛檐走壁的“武林高手”，壁虎能夠憑借腳趾抓附在物體表面上攀爬移動，即便在垂直墻壁或光滑玻璃上也能穩(wěn)定附著。這種神奇的攀爬技能引發(fā)了科學(xué)家的思考：能否研發(fā)一種特殊材料，既具備強(qiáng)大的附著力，又能實(shí)現(xiàn)人為可控的重復(fù)附著與剝離，且每次操作后對后續(xù)附著性能幾乎沒有影響？

若要實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，水凝膠堪稱理想材料之選。高分子水凝膠能夠敏銳感知外界環(huán)境（如溫度、光線等）的微弱變化或刺激，并隨之產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)變化。基于此，科學(xué)家成功研發(fā)出一種可通過遠(yuǎn)程光熱控制實(shí)現(xiàn)可逆黏附的智能水凝膠材料。

水凝膠實(shí)現(xiàn)可逆黏附的奧秘在于其含有的兩種關(guān)鍵物質(zhì)：兒茶酚基團(tuán)和丙烯酸分子。兒茶酚基團(tuán)能與多種物質(zhì)產(chǎn)生相互作用力，例如范德華力（分子間作用力）、氫鍵（通常在含有氫原子的分子與具有較強(qiáng)電負(fù)性的原子之間形成）等。低溫環(huán)境下，兒茶酚基團(tuán)暴露在外，大量的水分子（H2O）被水凝膠主體結(jié)合形成氫鍵，致使水凝膠表面相對干燥，此時(shí)更有利于剝離操作；而在高溫條件下，氫鍵被破壞，水分子脫離使水凝膠表面變得濕潤，促使丙烯酸分子遷移至表面覆蓋兒茶酚基團(tuán)，同時(shí)起到潤滑作用，從而有利于黏附過程。

納米四氧化三鐵（Fe3O4?）是水凝膠感知光和熱的關(guān)鍵組分，研究發(fā)現(xiàn)，低溫時(shí)四氧化三鐵的含量為0.10wt/%，水凝膠的附著強(qiáng)度達(dá)到最大值；而高溫時(shí)，其含量對附著力的影響并不顯著。憑借這一特性，水凝膠能夠智能感知光和熱，在無紅外光照射或低溫時(shí)呈現(xiàn)高附著力，有紅外光照射或高溫時(shí)表現(xiàn)出低附著力，可在這兩種狀態(tài)間多次循環(huán)切換，且始終保持零殘留。

將水凝膠像壁虎一樣黏附在物體表面并施加負(fù)載，通過人為控制溫度和光照，就能讓水凝膠實(shí)現(xiàn)“攀爬”動作。

這種具備智能響應(yīng)特性的水凝膠材料，在未來的醫(yī)學(xué)、人工智能等諸多領(lǐng)域必將擁有廣闊的應(yīng)用前景。

（責(zé)任編輯 / 段雯娟" " 美術(shù)編輯 / 胡美巖）