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研究背景

在生活中我們經(jīng)常會用到膠帶，會發(fā)現(xiàn)越強(qiáng)膠粘的膠帶往往很難刮下來，粘合強(qiáng)度取決于裂縫如何在粘合界面上移動。通過抑制裂紋擴(kuò)展，產(chǎn)生了強(qiáng)膠粘劑，但難以去除，而可重復(fù)使用的膠粘劑雖然促進(jìn)了剝離，但膠粘強(qiáng)度被限制。這使得粘合劑通常要么是永久性的，要么是強(qiáng)度有限的可逆性的。

然而，許多應(yīng)用越來越需要克服這種性能權(quán)衡的粘合劑，并且需要易于去除和重復(fù)使用的強(qiáng)附著力。這種看似矛盾的特性組合在一些應(yīng)用中很重要，比如用于運(yùn)動和抓取的機(jī)器人，用于牢固附著但易于拆卸的可穿戴電子設(shè)備，以監(jiān)測健康和輸送藥物，以及用于組裝和拆卸的制造，以減少浪費(fèi)，重新利用材料和幫助回收。

成果簡介

膠粘劑通常是強(qiáng)的和永久的或可逆的有限的強(qiáng)度。然而，目前制造可穿戴設(shè)備、機(jī)器人和材料拆卸所需的強(qiáng)而可逆粘合劑的策略缺乏對強(qiáng)度和釋放的獨(dú)立控制，需要復(fù)雜的制造或僅在特定條件下工作。

近日，弗吉尼亞理工大學(xué)Michael D. Bartlett教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種超材料粘合劑，通過編程切割架構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的和可釋放的粘附與空間可選擇的粘附強(qiáng)度。非線性切割獨(dú)特地抑制裂紋擴(kuò)展，迫使裂紋向后擴(kuò)展，以提高60倍的附著力，同時(shí)允許裂紋向相反方向擴(kuò)展，以方便釋放和重復(fù)使用。

該機(jī)制適用于濕和干條件下不同基材上的許多粘合劑，并在任何位置以兩個(gè)方向同時(shí)獨(dú)立可編程的粘附強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)高度可調(diào)的粘附。作者在無掩模的數(shù)字制造框架中創(chuàng)建這些多功能材料，以快速定制粘合劑特性，并對下一代粘合劑進(jìn)行確定性控制。這項(xiàng)工作以“Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。

這篇Nature Materials有創(chuàng)意！解決了常識中看似矛盾的問題！

圖文導(dǎo)讀

圖1. 高強(qiáng)度、易釋放的超材料粘合劑

圖2. 通過反向裂紋擴(kuò)展增強(qiáng)附著力

在這里，作者介紹了一種超材料粘合劑，通過在膠膜中編程的非線性切割結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的、可逆的、定向的、空間選擇性的粘合強(qiáng)度(圖1a)。非線性切割由開放的多邊形形狀組成，通過捕獲裂縫來控制粘合劑裂縫的傳播，然后在高附著力下迫使它們反向傳播(圖1b,c)，并允許它們正常向前傳播(圖1d,e)。

通過反向裂紋擴(kuò)展，作者將粘接界面處的高全局剝離角解耦為低局部剝離角。這種機(jī)制將附著強(qiáng)度提高到60倍，相對于沒有切割的相同材料具有很強(qiáng)的附著力，同時(shí)也可以通過相反方向的剝離來輕松釋放無圖案粘合劑。

這些特性允許獨(dú)立控制附著力和釋放與可重用性。反向裂紋擴(kuò)展還可以調(diào)整任何膜位置的粘接強(qiáng)度，并且可以在膜的單個(gè)區(qū)域內(nèi)同時(shí)在兩個(gè)方向上編程粘接強(qiáng)度。超材料粘合劑不依賴于特定的化學(xué)或環(huán)境條件、微結(jié)構(gòu)表面或活性或圖案剛度來調(diào)節(jié)粘合，而是利用非線性切割來高度系統(tǒng)地控制粘合裂紋在薄膜上的擴(kuò)展和方向。

作者稱這些為“超材料粘合劑”，因?yàn)榉蔷€性結(jié)構(gòu)將全局應(yīng)用載荷解耦為確定性的局部粘合劑響應(yīng)，利用機(jī)械超材料的洞察力，解耦局部和全局機(jī)械特性。這種功能是幾何形狀固有的，使得能夠增強(qiáng)性能，并在各種粘合劑，不同表面以及干燥和潮濕環(huán)境中實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的粘附行為。

這種對不同材料的適用性使得超材料粘合劑能夠利用材料和幾何機(jī)制來跨越一系列獨(dú)特的粘合劑性能，從強(qiáng)而極可逆到強(qiáng)而極可逆，包括強(qiáng)度超過3,000 N m^?1 (J m^?2)的粘合劑，這些粘合劑也是可重復(fù)使用和定向的。

這些多功能超材料膠粘劑實(shí)現(xiàn)了對膠粘劑裂縫運(yùn)動的高度系統(tǒng)控制，這種特性使我們能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)附著力和易釋放性的非常規(guī)組合，并同時(shí)在兩個(gè)方向上編程膠粘劑強(qiáng)度。這種方法適用于許多粘合劑，同時(shí)引入了數(shù)字制造框架，可以在幾分鐘內(nèi)自動設(shè)計(jì)和快速制造粘合劑，并在整個(gè)薄膜的任何位置對粘合劑特性進(jìn)行確定性控制。

圖3. 超材料膠粘劑的多功能性和性能比較

圖4. 數(shù)字化膠粘劑制造

圖5. 具有可編程強(qiáng)度和方向的超材料粘合劑

高附著力和易于釋放的能力是許多應(yīng)用的關(guān)鍵。為了演示包裝中的超材料粘合劑，作者在商業(yè)運(yùn)輸膠帶中添加了切割圖案的布局，這樣牢固的粘合確保了所有方向的密封，但粘合劑可以根據(jù)需要通過在特定方向上剝離來去除(圖5a)。

一個(gè)用超材料膠帶密封的盒子在五次跌落中承受了一塊磚(1550克)的重量和沖擊，而用同樣的膠帶密封的盒子在沒有超材料切割的情況下，只在兩次跌落后就完全崩潰了(圖5a,b)。超材料粘合劑還可以在墻上掛東西，同時(shí)仍然很容易被移除(圖5c)。

此外，作者使用了在一個(gè)位置控制兩個(gè)方向的附著力的能力，使懸掛更加堅(jiān)固，在頂部和底部邊緣增加附著力，以防止無意中釋放。用超材料粘合劑掛在墻上的框架保持了7天以上，沒有觀察到任何分層現(xiàn)象，然后很容易釋放，而由無圖案粘合劑支撐的框架在20分鐘內(nèi)脫落(圖5d)。

超材料粘合劑也可以應(yīng)用于可穿戴的形式因素。通過激光加工彈性體涂層手套的非線性切口，制成了一種超材料膠粘劑拾取-釋放手套。這允許用戶拿起一個(gè)扁平的物體，可靠地握住它，然后通過手腕旋轉(zhuǎn)毫不費(fèi)力地將物體釋放到預(yù)定的位置，而無圖案手套將物體放下(圖5e,f)。

作者還為人機(jī)回圈可穿戴設(shè)備創(chuàng)建了超材料粘合條(圖5h)。在這里，超材料粘合劑在邊緣具有高附著力，具有很強(qiáng)的附著力，在初始剝離后易于去除。該可穿戴設(shè)備捕獲人體運(yùn)動并將信號無線傳輸?shù)界R像機(jī)械臂上，該設(shè)備被連接到第一個(gè)用戶的手臂上，在那里物體從機(jī)械臂上拾取，移動和釋放(圖5i)，然后轉(zhuǎn)移到另一個(gè)用戶再次移動物體(圖5j,k)。切割圖案還可以擴(kuò)展為各種膠貼形狀，包括用于可穿戴生理監(jiān)測裝置的圓形膠貼。

總結(jié)展望

這種超材料膠粘劑策略可以在不同的基材和條件下使用，以增強(qiáng)附著力，同時(shí)在多個(gè)方向上提供方向性和空間編程膠粘劑強(qiáng)度。通過無掩模的數(shù)字制造環(huán)境，可以快速輸出化學(xué)或微特征模式無法完成的各種粘合劑特性。

此外，毫米厘米級的切割可以通過卷對卷技術(shù)(如旋轉(zhuǎn)模切)創(chuàng)建，為擴(kuò)大規(guī)模提供了途徑。雖然這種超材料粘合方法適用于各種材料，但切割會引入可能破裂的位置，而本應(yīng)撕裂的背襯可能會加劇這種影響。

然而，切割特性也可以提高可撕性，這可能對防偽和易于分發(fā)膠帶有用。這種可編程粘附的反向裂紋擴(kuò)展機(jī)制也可能為其他斷裂過程帶來新的機(jī)會，例如增韌塊狀材料，微/納米系統(tǒng)中的粘附控制以及機(jī)器人運(yùn)動中的粘附。因此，這些超材料粘合劑可以作為在不同材料和應(yīng)用中對附著力的特殊控制的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)信息

Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation. (Nat. Mater. 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01577-2)

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01577-2

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/03/2545a7e78b/

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