2024-05-04 10:52 来源：得道网
新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家们开发出了一种智能的、可重复使用的粘合剂，比壁虎脚的粘合力强十倍以上，为开发可重复使用的超级胶水和能够在粗糙和光滑表面上固定重物的抓手指明了方向。
南洋理工大学的研究小组由K吉米·夏教授领导，他们找到了一种方法，通过使用形状记忆聚合物来最大限度地提高智能粘合剂的附着力，这种聚合物可以在需要的时候通过加热很容易地粘附和分离。
上个月在科学杂志《国家科学评论》上，该团队详细介绍了他们在粘附性方面的突破，他们设计了毛发状原纤维形状的形状记忆聚合物材料。
这种智能粘合剂可以支撑非常重的重量，为机器人抓手开辟了新的可能性，使人类可以毫不费力地爬上墙壁，或者攀爬机器人可以附着在天花板上进行调查或修复应用。
南洋理工大学机械与航空航天工程学院(MAE)和化学、化学工程与生物技术学院机械工程主席夏教授说:“这项研究是基于对粗糙表面附着力机制的基本理解。它可以帮助我们开发非常坚固，但易于拆卸，适用于粗糙表面的粘合剂。这项技术将在粘合剂抓取器和攀爬机器人中非常有用，有一天可能会让人类像现实中的蜘蛛侠一样爬墙。”
它是橡胶，是胶水;它记得自己的形状，紧紧抓住你
形状记忆聚合物是一种能够保持“记忆”的材料，在施加热、光或电流等外部刺激后，它们会变形，并恢复到原来的形状。这些特性使它们成为可以适应各种表面的可切换粘合剂的理想选择。
在他们的测试中，研究人员使用了一种名为E44环氧树脂的形状记忆聚合物，这是一种在室温下坚硬的玻璃状塑料。加热后，这种材料会变成一种柔软的橡胶状状态，可以固定在微小的角落和缝隙上。当它冷却时，它变得玻璃状，由于形状锁定效应而产生超强的粘合剂。
当这种材料被重新加热时，它会恢复到橡胶状态，这样它就可以被拉开，很容易地从它所粘附的表面分离出来。
研究人员发现，最有效的粘附来自于将形状记忆聚合物设计成一排毛发状的原纤维。每根纤维都必须精心设计——较大的原纤维粘附力较弱，而较小的原纤维很难制造，容易坍塌和降解。最佳点半径在0.5 mm到3mm之间，在保持结构完整性的同时突破了粘附的极限。
在他们的实验中，研究人员发现一根横截面为19.6平方毫米的纤维可以承受高达1.56公斤的载荷。每增加一根纤维，就可以支撑更多的重量。一个由37根纤维组成的手掌大小的阵列，重约30克，可以承受60公斤的重量——一个成年人的体重。
该研究论文的第一作者、南洋理工大学研究员令湖长虹博士说:“我们的智能粘合剂证明了形状记忆聚合物如何在表面粗糙度增加时保持甚至增强附着力。”这克服了科学家们一直困惑的“粘附悖论”，即粗糙表面上的粘附强度下降，尽管有更多的表面积供分子粘附。我们的测试表明，在固体状态下，聚合物的粘附强度随着表面粗糙度的增加而增加，而在橡胶状态下则下降。”
共同通讯作者高华建教授，前南洋理工大学MAE学院杰出教授，现任清华大学兴华大学教授，他说:“为了实际的抓取目的，粘合剂需要足够强，可以粘在表面上，但在需要时也很容易分离。在两种模式之间切换对于实际应用至关重要。更强的粘合剂可以支撑更重的负载，但往往更难分离——这就是我们所说的“可切换性冲突”。我们对形状记忆聚合物的研究已经产生了一种粘合剂，它可以很容易地变硬以粘在表面上，也可以很容易地变软以分离，同时能够承受包括人类在内的重物。”
Hsia教授补充说:“我们设计的形状记忆聚合物粘合剂克服了粘合悖论和可切换性冲突，为开发适应粗糙表面的更强、更可切换的粘合剂提供了指导。”
为粘性攀岩装备铺平了道路
当形状记忆聚合物附着在玻璃状态的表面上时，用吹风机加热不到一分钟，将温度提高到60°C。相反，对于附着，材料需要大约三分钟的时间彻底冷却并锁定到位。
聚合物改变状态的温度可以通过调节用于形成聚合物的组分的比例来控制。这使得这种聚合物可以在极端环境中使用，比如炎热的天气条件。在他们的测试中，研究人员将聚合物分离的温度设定为60°C，这一温度超出了最舒适的现实环境。
这种材料只需要加热就能附着和分离的能力，使其成为一种可重复使用的超级胶水，不会在墙壁上留下粘性残留物。它还可以作为柔软的抓手，能够粘在具有不同表面纹理的物体上，并可靠地长时间握住它们。
长虹博士说:“在目前阶段，加热和冷却时间，以及切换温度，限制了实际使用案例的数量。然而，我们的研究结果表明，将等待时间缩短到几秒钟是可能的，开关温度可以降低到接近体温，极大地开辟了应用的可能性。”
“将材料从一种状态切换到另一种状态的刺激也可以是不同的，比如使用电流或光来代替，”他补充说。
展望未来，研究小组的目标是减少粘附所需的冷却时间。研究小组设想，这种粘合剂最终可能会被用于攀岩设备，比如手套和靴子，这样登山者就可以粘在墙上并攀缘。机器人也可以装备这种材料来制造爬墙机器人，这在建筑和建筑测量等许多行业都很有用。
