北京化工大學石峰教授：宏觀超分子組裝實現快速水下粘附

【引言】

水下高粘附材料是材料工程領域研究中的熱點和難點，但是有關水下粘附材料的作用機理依然有待明確。宏觀超分子組裝是超分子化學領域的一個新興研究方向，其研究對象是表面修飾有大量超分子識別基團的十微米以上的宏觀構筑基元，以及它們之間基于超分子多重相互作用的碰撞、識別和組裝的過程。宏觀超分子組裝不僅為構筑體相超分子材料提供了新的方案和研究思路，也為水下粘附材料、內源性自修復材料及組織工程支架材料的研究提供了理想的研究模型。

近日，北京化工大學石峰教授帶領的超分子研究團隊在《Angew. Chem. Int. Ed.》上發表題為“Elasticity-dependent fast underwater adhesion demonstrated by macroscopic supramolecular assembly”的研究論文。研究人員從基底變形能力對界面間多重相互作用影響的角度出發，設計制備了不同彈性模量的水凝膠，并通過交替層狀組裝（LbL）技術在其表面引入環糊精（CD）和偶氮苯（Azo）基團，研究其組裝行為，從而初步闡明了“具有高柔性的表面是實現宏觀超分子組裝的基本設計原則”。進一步，研究人員將這一設計原則應用于快速水下粘附的研究，闡述了水下粘附的作用機制，研究發現，水凝膠彈性模量（0.52 MPa）較低時，表面具有較好的柔性，變形能力強，界面處的超分子官能團能夠迅速的發生多重相互作用，構筑基元之間能夠實現快速水下粘附，而在2.45 MPa的水凝膠體系中，表面變形能力差，界面處超分子官能團不易發生多重相互作用，水下粘附力值較低。

【圖文導讀】

圖1：不同彈性模量水凝膠的制備及表征

（a）PHEMA水凝膠制備示意圖；（b）水凝膠壓縮模量與交聯劑含量之間的關系；（c）利用LbL技術在水凝膠表面構筑主體（藍色）和客體（紅色）超分子官能團；（d）不同彈性模量水凝膠在構筑10個雙層（PDDA/PAA-Azo）聚電解質多層膜后的紫外吸光度值。

圖2：不同彈性模量水凝膠構筑基元之間的宏觀超分子組裝行為

（a）對于每種彈性模量的水凝膠，取100對分別含有CD和Azo的水凝膠，震蕩5 min后的組裝統計結果；（b）隨著彈性模量的逐漸增加，水凝膠構筑基元之間的超分子相互作用力逐漸下降；（c）三種水凝膠體系的彈性模量和組裝概率之間的關系。

圖3：宏觀超分子組裝實現快速水下粘附

（a）分別含有主、客體分子的水凝膠之間的快速水下粘附示意圖；（b）無外力負載且作用時間較短時，不同類型構筑基元之間的相互作用力；（c）施加1N的外力，并進一步延長作用時間至5 min時，高彈性模量和低彈性模量水凝膠構筑基元之間的相互作用力。

【小結】

在本文中，研究人員通過設計制備不同彈性模量的水凝膠構筑基元并研究其組裝行為，對不同彈性模量的構筑基元的組裝機理展開深入研究，發現宏觀組裝的幾率隨彈性模量的增加而降低，從而提出并驗證了“具有高柔性表面是實現宏觀超分子組裝的基本設計原則”這一學術觀點，進一步，以宏觀超分子組裝為手段和研究模型，通過調控材料的彈性模量，實現了快速的水下粘附，闡述了水下粘附的作用機制。這一研究結果為水下粘附材料及功能性超分子凝膠的制備提供了一定的研究基礎。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201803632（Elasticity-dependent fast underwater adhesion demonstrated by macroscopic supramolecular assembly. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI:10.1002/anie.201803632.）

課題組網站：http://www.shifgroup.com

本文由鞠冠男供稿。

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