中科院理化所王樹濤課題組Adv. Mater.：界面不穩定誘導的粘附劑，可快速阻止漏油

【導讀】

輸油管道破裂引起的原油泄漏導致水中生物大批量死亡，造成巨大的經濟損失和環境危害，有效的油下粘附劑在海洋防護、日常生活等領域都具有重要意義。然而，目前商用的粘附劑在油下環境中往往會因為溶脹或油膜的阻礙而失活。近年來，研究人員受大自然啟發，發展了系列新型仿生粘附劑，但是這些粘附劑大都適用于水下環境，而在油下失活。一些嘗試，比如具有吸盤結構的粘附膠帶、堿基增粘的水凝膠、超分子共晶凝膠可以實現有效的油下粘附，然而這些工作都著重于對材料粘附性能的研究，而忽略了對粘附機理的深入探索，這嚴重限制了油下粘附劑的發展和廣泛應用。

【成果掠影】

中國科學院理化技術研究所王樹濤團隊從液/液/固三相界面出發，提出了界面不穩定誘導粘附的概念，通過向粘附相中引入與油水互溶的“媒介”溶劑來排開界面油膜，為粘附分子與基底接觸提供通道。所發展的3I（Interfacial instability-induced）粘附劑可以在數十秒內阻止容器漏油。不同于傳統的不溶性液體間的液體取代，這種界面不穩定策略不受限于溶劑的表面張力，基底的表面能和粗糙度，在油下的親水和疏水基底上都能實現接觸和粘附。更重要的是，這種策略適用于多種“媒介“溶劑和粘附高分子，為制備新一代液下粘附材料提供新思路和一條有效的途徑。

相關工作以“Interfacial Instability-Induced (3I) Adhesives through “Mediator” Solvent Diffusion for Robust Underoil Adhesion”為題發表在國際頂級期刊《Advanced?Materials》上，第一作者為中科院理化技術研究所博士后萬茜子。

【核心創新】

該研究首次通過共聚焦顯微鏡表征了界面不穩定誘導的液體取代和傳統不溶性液體取代過程中，水相和油相相互競爭與基底接觸的狀態。結果表明，在水相中引入雙溶性的“媒介“溶劑后，混合溶劑可以明顯地排開親水基底和疏水基底表面的油膜，實現直接的接觸。而對于沒有“媒介”溶劑的純水相，雖然可以驅趕親水基底表面的油膜，但是呈現出更大的接觸角和更小的接觸角，更重要的是，在疏水基底上，出現一層明顯的油膜阻礙了水相與基底的接觸。這一直接的證據證明了液液界面不穩定誘導的液體取代為制備新型油下粘附劑提供了一條有效的途徑。進一步地，該團隊在混合溶劑中引入粘附高分子和水觸發聚合的粘附單體，組成增強型3I粘附劑，這種粘附劑在油下多種基底上表現出高的粘附強度，尤其是不銹鋼和鋁片上，油下粘附強度可以在短時間內達到420 kPa。此外，通過改變“媒介”溶劑和粘附聚合的種類，這種3I粘附劑還可以實現在多種有機溶劑中的粘附。

【數據概覽】

圖1?界面不穩定誘導的液體取代設計示意圖

對于傳統的不溶性液體A和B之間的液體取代，取代結果受限于兩種液體的表面張力，基底的表面能和粗糙度。對于界面不穩定誘導的液體取代，通過創新性地引入雙溶性液體C，C從粘附相A向油相B擴散的過程中可以有效地排開油膜，實現直接接觸。

圖2?固/液界面地油膜取代表征

(a) 水-丙酮對親水表面油膜的取代示意圖和熒光圖片。(b) 水-丙酮對疏水表面油膜的取代示意圖和熒光圖片。(c) 水對親水表面油膜的取代示意圖和熒光圖片。(d) 水對疏水表面油膜的取代示意圖和熒光圖片。為了便于區分，水相被染為綠色，油相被染為紅色。(e) 水-丙酮液滴在油下疏水表面的動態接觸角。(f) 水滴在油下疏水表面的動態接觸角。

圖3?增強型3I粘附劑的粘附性能

(a) 增強型3I粘附劑的設計示意圖。(b) 增強型3I粘附劑在不同基底上的油下粘附強度。(c) 增強型3I粘附劑在不同種類油中的粘附強度。(d) 增強型3I粘附劑在不同種類有機溶劑中的粘附強度。(e) 基于增強型3I粘附劑的粘附膠帶在數十秒內阻止漏油。

【成果啟示】

該工作打破了傳統液下粘附劑對于特殊粘附基團或特定粘附結構的依賴，從三相接觸界面出發，通過巧妙地引入“媒介”溶劑，成功構筑了系列有效的油下粘附劑。雖然目前粘附劑的粘附強度仍有待提高，但該策略為在復雜環境中粘附的新型粘附劑的設計和構筑提供了一條有力的途徑。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202208413