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神奇的胶水!仅一滴可承受90公斤,手指一摸又消失粘性

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神奇的胶水!仅一滴可承受90公斤,手指一摸又消失粘性

近期,《Adv Mater》发表的一项研究发现,通过来源于植物的纤维素纳米晶体(CNC)可以形成一种超级粘合剂。该粘合剂完美地展现了环保性、高性能和低成本的综合优点,而通常要同时实现这些挑战是非常困难的。研究发现,只需仅仅一滴这种“超级胶水”,就可以承受90公斤(比小编还重20kg)的重量!更神奇的是,你只需要通过手指轻轻一摸就可以去除粘合性(can be easily removed by the touch of a finger)。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906886

神奇的胶水!仅一滴可承受90公斤,手指一摸又消失粘性

粘合是通过共价键(如反应性结构粘合剂)或非共价相互作用而发生的,自然界的粘合现象几乎无处不在。后者的经典示例是壁虎脚,其分层功能会增加整个接触区域的摩擦力。这种结构化粘附的仿生通常是通过自上而下的光刻技术实现的,从而可以实现与方向有关的分离。但是,由于缺少可在多个长度范围内生成强大粘合力和自组装性的构建块,自下而上的方法仍然有待进一步研究。

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本文介绍了一种不一样的情况,即纤维素纳米晶体(CNC)的水溶液在受限的蒸发诱导自组装(C-EISA)时,固体表面之间形成了超结构的粘附层。由于受到有限蒸发导致的应力,强度本来就大的纤维素纳米晶体(EA> 140 GPa)在多个长度范围内精确排列。当比较面内(≈7MPa)和面外(≤0.08MPa)方向时,这种长程有序会产生非同寻常的各向异性粘合强度。

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亲水性基材(载玻片)之间的C-EISA产生超结构化CNC粘合剂

由于自组装而产生的这种粘合性能,大大优于传统的通过自上而下微细加工获得的仿生胶粘剂(干胶,摩擦驱动),并代表了独特的基于流体(水性)的体系,具有明显的各向异性。通过使用C-EISA,新出现的特性将与胶体及其分层装配体的性质紧密联系在一起。本文证明了一种涉及各向异性有机纳米粒子水悬浮液的简单自组装现象,这可以引起极高的非共价粘合剪切强度。其作用方式类似于自然界中大多数干的、可逆的生物粘合剂,例如昆虫或壁虎。与天然可逆粘合剂类似,平面内和平面外的粘合力值相差70倍以上。重要的是,粘合剂内部结构与C-EISA现象紧密结合,这为进一步探索粘合剂性能开辟了途径。此外,这种与中等毛细管力相关的自组装具有广阔的应用领域,或将在促进其他新兴特性(例如压电性)中找到用途。

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C‐EISA导致的跨尺度超结构和装配机制示意图

与某些商业结构胶和几秒钟内形成粘结的干胶相比,C-EISA形成胶层所需的时间受到了限制。但是,使用完全绿色,具有成本效益的水基系统的前景非常诱人。未来的发展中可以考虑更快蒸发速度的影响。另一方面,以前通过自上而下获得的合成系统也已经证明了胶粘剂的可重粘性质,可以通过巧妙地使用抗衡离子进一步束缚,这也可以控制胶粘剂的湿度响应。可逆的胶粘剂组装还可以减少对组装元件的永久损坏,并提高可持续性。

最后,随着CNC的批量生产,以及对胶粘剂的广泛化学修饰,纳米纤维素,本文发现的高强度和高各向异性将显著地推动高性能、绿色、结构粘合剂在更广泛的领域和基材中得到应用。可以预见,新的潜在应用与出色的粘合各向异性有关。例如,在高强度,易碎,高价值的机器零件或建筑元件上使用基于CNC的胶粘剂,有望防止出现故障并提高可重复使用性。

总体而言,这项研究揭示了在C-EISA下由天然聚合物胶体组装的超结构粘合剂的独特特性,作为一种新产品,它的潜在应用和进一步发展都十分突出。(文:董瑞)

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