粘合劑廣泛應用于從日常生活到航空航天工業的各個領域，因為它們能夠將兩種材料粘合在一起并防止它們分離。在大多數情況下，這些粘合劑可以與材料表面形成永久性和不可逆鍵，不能重復使用或再次拆卸。隨著軟機器人、柔性電子產品和智能設備的普及，具有可切換粘合能力的粘合劑將變得更加必要。然而實現超強的粘附性、高效切換能力及可靠使用壽命的可逆粘合劑一直是具有挑戰性的。
針對以上研究現狀，四川大學雷景新教授團隊設計了一種基于多級動態穩定結構的自愈合、可切換粘合劑。受貽貝的啟發，作者通過分子結構設計將1-(3-氨基丙基)咪唑和姜黃素配位單體引入聚氨酯體系中，與銅離子(Cu2+)進行配位形成動態金屬配位鍵(圖1)。結合密度泛函理論計算，具有不同鍵能的金屬配位鍵（較強的Cu2+-姜黃素配合物和較弱的Cu2+-咪唑配合物）可在聚合物鏈段之間聚集形成多級動態穩定結構。這種特殊的結構不僅可以作為易于破壞和改造的犧牲位點，允許高效的可切換粘接和巨大的能量耗散，同時還能作為穩固位點從而維持粘合劑的內聚力和網絡的可逆重構。有趣的是，CIPU: Cu2 +可以實現在室溫環境下的自愈合以及近紅外激光刺激下的快速修復，大大延長了粘合劑的有效使用壽命。
圖1. 基于多級動態穩定結構的可切換粘合劑設計原理
作者還展示了可切換粘合劑的實際應用。制備的粘合劑可以通過熱壓或者刮涂的方式實現界面之間有效的粘合，有效應對了復雜的界面條件。同時粘合劑對不同類型的材料均具有優異的粘合能力，特別是金屬表面（在鋁片上的粘接強度可達2.46 MPa，通過粘合劑連接的鋁片可以輕松掛起25 kg的重物。根據實際的需要，可以通過光照或者溶劑刺激粘合區域，實現粘合劑快速有效的可切換粘附(30秒)（圖2）。在多次重復粘合/剝離操作后，可逆粘合劑的粘合性能和高效切換能力可基本保持，進一步揭示了其優異的可逆粘接能力。相信，這種材料在智能器件、可穿戴生物監測設備、半導體制造等方面都有潛在的應用前景，為下一代可切換膠粘劑的發展提供了新方向。
圖2. CIPUs: Cu2+可切換粘合劑的實際應用
該工作以“Exploring Self-Healing and Switchable Adhesives based on Multi-Level Dynamic Stable Structure”為題，發表在《Small》。論文第一作者為四川大學博士研究生徐華梁，通訊作者為四川大學雷景新教授和江亮助理研究員。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202300626