北京化工大学石峰教授：宏观超分子组装实现快速水下粘附

【引言】

水下高粘附材料是材料工程领域研究中的热点和难点，但是有关水下粘附材料的作用机理依然有待明确。宏观超分子组装是超分子化学领域的一个新兴研究方向，其研究对象是表面修饰有大量超分子识别基团的十微米以上的宏观构筑基元，以及它们之间基于超分子多重相互作用的碰撞、识别和组装的过程。宏观超分子组装不仅为构筑体相超分子材料提供了新的方案和研究思路，也为水下粘附材料、内源性自修复材料及组织工程支架材料的研究提供了理想的研究模型。

近日，北京化工大学石峰教授带领的超分子研究团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》上发表题为“Elasticity-dependent fast underwater adhesion demonstrated by macroscopic supramolecular assembly”的研究论文。研究人员从基底变形能力对界面间多重相互作用影响的角度出发，设计制备了不同弹性模量的水凝胶，并通过交替层状组装（LbL）技术在其表面引入环糊精（CD）和偶氮苯（Azo）基团，研究其组装行为，从而初步阐明了“具有高柔性的表面是实现宏观超分子组装的基本设计原则”。进一步，研究人员将这一设计原则应用于快速水下粘附的研究，阐述了水下粘附的作用机制，研究发现，水凝胶弹性模量（0.52 MPa）较低时，表面具有较好的柔性，变形能力强，界面处的超分子官能团能够迅速的发生多重相互作用，构筑基元之间能够实现快速水下粘附，而在2.45 MPa的水凝胶体系中，表面变形能力差，界面处超分子官能团不易发生多重相互作用，水下粘附力值较低。

【图文导读】

图1：不同弹性模量水凝胶的制备及表征

（a）PHEMA水凝胶制备示意图；（b）水凝胶压缩模量与交联剂含量之间的关系；（c）利用LbL技术在水凝胶表面构筑主体（蓝色）和客体（红色）超分子官能团；（d）不同弹性模量水凝胶在构筑10个双层（PDDA/PAA-Azo）聚电解质多层膜后的紫外吸光度值。

图2：不同弹性模量水凝胶构筑基元之间的宏观超分子组装行为

（a）对于每种弹性模量的水凝胶，取100对分别含有CD和Azo的水凝胶，震荡5 min后的组装统计结果；（b）随着弹性模量的逐渐增加，水凝胶构筑基元之间的超分子相互作用力逐渐下降；（c）三种水凝胶体系的弹性模量和组装概率之间的关系。

图3：宏观超分子组装实现快速水下粘附

（a）分别含有主、客体分子的水凝胶之间的快速水下粘附示意图；（b）无外力负载且作用时间较短时，不同类型构筑基元之间的相互作用力；（c）施加1N的外力，并进一步延长作用时间至5 min时，高弹性模量和低弹性模量水凝胶构筑基元之间的相互作用力。

【小结】

在本文中，研究人员通过设计制备不同弹性模量的水凝胶构筑基元并研究其组装行为，对不同弹性模量的构筑基元的组装机理展开深入研究，发现宏观组装的几率随弹性模量的增加而降低，从而提出并验证了“具有高柔性表面是实现宏观超分子组装的基本设计原则”这一学术观点，进一步，以宏观超分子组装为手段和研究模型，通过调控材料的弹性模量，实现了快速的水下粘附，阐述了水下粘附的作用机制。这一研究结果为水下粘附材料及功能性超分子凝胶的制备提供了一定的研究基础。

原文链接：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.）

课题组网站：http://www.shifgroup.com

本文由鞠冠男供稿。

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