中科院理化所王树涛课题组Adv. Mater.：界面不稳定诱导的粘附剂，可快速阻止漏油

【导读】

输油管道破裂引起的原油泄漏导致水中生物大批量死亡，造成巨大的经济损失和环境危害，有效的油下粘附剂在海洋防护、日常生活等领域都具有重要意义。然而，目前商用的粘附剂在油下环境中往往会因为溶胀或油膜的阻碍而失活。近年来，研究人员受大自然启发，发展了系列新型仿生粘附剂，但是这些粘附剂大都适用于水下环境，而在油下失活。一些尝试，比如具有吸盘结构的粘附胶带、碱基增粘的水凝胶、超分子共晶凝胶可以实现有效的油下粘附，然而这些工作都着重于对材料粘附性能的研究，而忽略了对粘附机理的深入探索，这严重限制了油下粘附剂的发展和广泛应用。

【成果掠影】

中国科学院理化技术研究所王树涛团队从液/液/固三相界面出发，提出了界面不稳定诱导粘附的概念，通过向粘附相中引入与油水互溶的“媒介”溶剂来排开界面油膜，为粘附分子与基底接触提供通道。所发展的3I（Interfacial instability-induced）粘附剂可以在数十秒内阻止容器漏油。不同于传统的不溶性液体间的液体取代，这种界面不稳定策略不受限于溶剂的表面张力，基底的表面能和粗糙度，在油下的亲水和疏水基底上都能实现接触和粘附。更重要的是，这种策略适用于多种“媒介“溶剂和粘附高分子，为制备新一代液下粘附材料提供新思路和一条有效的途径。

相关工作以“Interfacial Instability-Induced (3I) Adhesives through “Mediator” Solvent Diffusion for Robust Underoil Adhesion”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，第一作者为中科院理化技术研究所博士后万茜子。

【核心创新】

该研究首次通过共聚焦显微镜表征了界面不稳定诱导的液体取代和传统不溶性液体取代过程中，水相和油相相互竞争与基底接触的状态。结果表明，在水相中引入双溶性的“媒介“溶剂后，混合溶剂可以明显地排开亲水基底和疏水基底表面的油膜，实现直接的接触。而对于没有“媒介”溶剂的纯水相，虽然可以驱赶亲水基底表面的油膜，但是呈现出更大的接触角和更小的接触角，更重要的是，在疏水基底上，出现一层明显的油膜阻碍了水相与基底的接触。这一直接的证据证明了液液界面不稳定诱导的液体取代为制备新型油下粘附剂提供了一条有效的途径。进一步地，该团队在混合溶剂中引入粘附高分子和水触发聚合的粘附单体，组成增强型3I粘附剂，这种粘附剂在油下多种基底上表现出高的粘附强度，尤其是不锈钢和铝片上，油下粘附强度可以在短时间内达到420 kPa。此外，通过改变“媒介”溶剂和粘附聚合的种类，这种3I粘附剂还可以实现在多种有机溶剂中的粘附。

【数据概览】

图1 界面不稳定诱导的液体取代设计示意图

对于传统的不溶性液体A和B之间的液体取代，取代结果受限于两种液体的表面张力，基底的表面能和粗糙度。对于界面不稳定诱导的液体取代，通过创新性地引入双溶性液体C，C从粘附相A向油相B扩散的过程中可以有效地排开油膜，实现直接接触。

图2 固/液界面地油膜取代表征

(a) 水-丙酮对亲水表面油膜的取代示意图和荧光图片。(b) 水-丙酮对疏水表面油膜的取代示意图和荧光图片。(c) 水对亲水表面油膜的取代示意图和荧光图片。(d) 水对疏水表面油膜的取代示意图和荧光图片。为了便于区分，水相被染为绿色，油相被染为红色。(e) 水-丙酮液滴在油下疏水表面的动态接触角。(f) 水滴在油下疏水表面的动态接触角。

图3 增强型3I粘附剂的粘附性能

(a) 增强型3I粘附剂的设计示意图。(b) 增强型3I粘附剂在不同基底上的油下粘附强度。(c) 增强型3I粘附剂在不同种类油中的粘附强度。(d) 增强型3I粘附剂在不同种类有机溶剂中的粘附强度。(e) 基于增强型3I粘附剂的粘附胶带在数十秒内阻止漏油。

【成果启示】

该工作打破了传统液下粘附剂对于特殊粘附基团或特定粘附结构的依赖，从三相接触界面出发，通过巧妙地引入“媒介”溶剂，成功构筑了系列有效的油下粘附剂。虽然目前粘附剂的粘附强度仍有待提高，但该策略为在复杂环境中粘附的新型粘附剂的设计和构筑提供了一条有力的途径。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202208413