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加拿大阿尔伯塔大学曾宏波院士团队:具有双重刺激响应的瞬时水下黏附剂

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高分子科学前沿 2021-04-17 14:32

水下黏附一直是充满挑战的课题,因为水总是会在表面和界面形成水合层从而破坏面与面之间形成的多重分子间相互作用力,最终破坏水下黏附。近年来,越来越多的研究表明,以沙塔虫和贻贝为代表的海洋附着类生物在水下黏附方面有着优异的表现。并且,其分泌的水下黏附剂被认为是“凝聚”的结果。凝聚,是一种非常重要的液体-液体相分离的生物现象,广泛地发生于不同的生物体中。比如,无膜细胞器和前细胞系统都与凝聚有关,凝聚现象产生的凝聚层还因为有着极其类似于原生质的结构,并认为是生命的起源。同时,凝聚层也被认为是鱿鱼嘴等具有性能梯度的材料的形成的关键步骤。特别地,液液相分离的凝聚现象激发了大量的水下黏附剂的仿生研究。然而,传统的仿生水下粘合剂通常需要在凝聚层铺展后长时间(例如10小时以上)的固化(凝聚层形成的酸性环境和海水的碱性环境间的pH梯度使多巴胺的邻苯二酚基团氧化成多巴醌)才能达到最终的水下附着。

为了实现瞬时水下黏附,最近,加拿大阿尔伯塔大学化学与材料工程学院曾宏波教授团队发现了一种极其简单的一步混合制备瞬时水下黏附剂的方法。具体来说,硅钨酸水溶液和P123胶束水溶液通过一步混合再离心的方法,即可获得材料富集的凝聚层。该凝聚层可以直接通过注射器在水下表面进行书写,并且可以立即抵挡快速自来水的冲洗。与此同时,制备的瞬时水下粘合剂可以在水下即刻地粘合起两个不锈钢砝码,并轻松支撑起100g砝码的重量。

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∆瞬时水下粘合剂的制作方法

∆瞬时水下粘合剂的水下粘合性能的定性和定量表征

同时,P123胶束的引入使得瞬时水下粘合剂具备了温度可控的光学变色响应。在低温的时候,由于P123胶束的多峰尺寸分布使得光线不易穿透,瞬时水下粘合剂呈现不透明的白色,在相对高温的条件下,P123胶束呈单峰紧密分布使得光线易于穿透,从而呈现出透明的状态。

∆瞬时水下粘合剂的温致变色响应

结合瞬时水下粘合剂的水下可涂写性,在高盐水溶液中的稳定性,以及水下粘合剂组分硅钨酸固有的还原显色反应,一个自供能电致变色装置可以通过盐桥和电线连接起涂有水下粘合剂的ITO玻璃和铝箔而搭建起来。电路一接通,水下粘合剂立刻由白色变成深蓝色,随后断开电路加入双氧水,深蓝色即可慢慢褪去。同时,水下粘合剂的电致变色响应也可以由外接的还原和氧化电压来引发。该水下粘合剂的变色原理归因为水下粘合剂组分之一的硅钨酸含有的钨元素具有还原(变成蓝色)与氧化(变回无色)相关的颜色变化。

∆瞬时水下粘合剂的电致变色响应

基于极其简单的制备方法以及便宜的原料,该瞬时水下粘合剂在低能环保的变色玻璃等方面有巨大的应用潜能, 也可以作为可穿戴电子的安全供电水电池的可涂式阴极并伴随着电量相关的颜色变化,作为未来智能生活的潜在产品。相关论文在线发表在《Journal of Materials Chemistry A》。论文第一作者为彭琼瑶博士,通讯作者为曾宏波教授(加拿大工程院院士)。

原文链接: https://doi.org/10.1039/D1TA01658J

来源:高分子科学前沿

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