《西游记》悟空的毫毛能变出万能胶,想粘就粘,想松就松。中国科学家真把这“魔幻剧情”变成了现实。从壁虎、树蛙这些自然界的“黏附大师”身上取经,研发出一种用光遥控的神奇“智能胶水”——光控水凝胶。
自然界“黏附大师”有何秘籍
要说光控水凝胶为啥这么厉害,还得从自然界的“黏附大师”说起。壁虎能在玻璃上倒挂,树蛙能在湿漉漉的叶片上稳如泰山,靠的是什么?壁虎脚掌上密密麻麻长着几百万根纳米级的刚毛,靠着分子间的范德华力(分子间的吸引力),不用一滴胶水就能牢牢贴在墙上。树蛙更绝,它脚掌上的微米沟槽搭配自分泌的黏液,就算环境再潮湿也掉不下来。科学家一看,这不就是现成的“万能胶”设计图吗?
可真要把这些生物结构复刻到人造材料上,其实是很难的。壁虎刚毛的纳米级制造工艺,成本高得吓人;树蛙的黏液分泌系统,复杂得让人摸不着头脑。科学家设计出一种掺了光热纳米颗粒(四氧化三铁)的水凝胶,用红外光当“遥控器”,彻底改变了胶水的玩法。
这光控水凝胶的原理,说起来就像一场微观世界的“分子舞台剧”。水凝胶表面有两拨“演员”:负责黏附的儿茶酚基团,就像一双双“小抓手”;负责保护的羧(suō)酸基团,好比一把把“小雨伞”。平时没光照的时候,“小雨伞”收得好好的,“小抓手”大大方方伸出去,见啥粘啥;一旦红外光照过来,光热纳米颗粒就像是被按下开关的小太阳,迅速把光能转化成热能。这一加热不要紧,水凝胶里的分子们开始“变队形”,“小雨伞”撑开,把“小抓手”遮得严严实实,黏性自然就消失了。
团队刚开始还以为黏性降低是因为表面渗水捣乱,后来深入研究才发现,水分子居然还偷偷引发了分子构象的大变化,这才是调控黏附的关键。
神奇胶水能派上啥用场
在医疗领域,平常撕医用胶布,那酸爽劲儿不少人都体验过,稍不注意还可能把皮肤扯红。要是用上光控水凝胶敷料,医生拿红外光笔轻轻一扫,敷料的黏性立马下降,揭起来几乎没啥感觉,还能保持伤口湿润,加速愈合。
在机器人领域,那更是打开了新世界的大门。以前软体机器人想爬墙,得背着笨重的电磁吸附系统,又费电又不灵活。现在给机器人装上光控水凝胶做成的“仿生足垫”,一束光就能让它在墙上想粘就粘、想走就走,甚至在水下也能正常工作。中国科学技术大学的吴思团队受此启发,用材料组装出能走迷宫的可重构水凝胶机器人。
我们日常用的智能手表、健康监测贴片,以后说不定都能换上光控水凝胶。这样,既不用担心胶布过敏,又能根据需要紧密贴合皮肤。日本的科研团队还研发出了能完全回收的光控胶水,用紫外线一照就能“复位”,胶水和基材都能接着用,环保又省钱。
光控水凝胶不仅解决了传统黏附材料的“痛点”,更重要的是打开了一个全新的研究方向。以往我们总在材料的静态性能上打转,现在这种能动态调控的智能材料,就像给科研人员递上了一把“金钥匙”。未来,通过优化材料配方、探索更低能耗的控制方式,或许能让这些智能材料真正成为人体的“柔性关节”。