你是否幻想過像蜘蛛俠一樣飛檐走壁？又或是像壁虎能在光滑的玻璃窗上倒掛金鉤？中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國實驗室的最新研究，讓這種“超能力”離現實更近一步——他們研發出一種高/低黏附力切換材料，不僅能像壁虎腳一樣牢固黏附物體，還能通過光照瞬間“松開”，將傳統黏附材料升級為按需改變黏附力的智能黏附材料。

圖片來源：veer圖庫

自然界的黏附大師：壁虎的腳掌密碼

當科學家把壁虎腳掌放大1000倍，發現了令人驚嘆的微觀世界。每平方毫米分布著約1.4萬根剛毛，相當于把一個人所有的頭發集中于指甲蓋大小的區域。而每根剛毛末端又分裂出數百個納米尺寸的絨毛，這些絨毛通過微觀作用力（范德華力，即原子間微弱的吸引力）與接觸面產生吸附力，使壁虎能夠輕松攀爬垂直表面。這就像無數個非常小的吸盤協同工作，并最終得到了遠遠超過壁虎自身重量的黏附力，從而可以克服重力的影響，使壁虎可以在與地面垂直的墻體或者樹木表面靜置。更神奇的是，壁虎在運動的過程中，能通過傾斜絨毛快速脫離接觸面，實現飛檐走壁的效果。這種“按需黏附”的機制，為科學家開發相關人工材料提供了靈感。

傳統材料的困境：黏附技術的瓶頸

過去20年，科學家以壁虎以及自然界其它生物為參考，努力模仿這種黏附效果，開發了各類仿生膠帶，但始終無法突破兩個關鍵難題：

1. 黏附力衰減：傳統材料（如生活中常見的便利貼）的黏附力會隨使用次數快速衰減，雖然粘在書本或者墻體表面可以輕松剝離，但是第二次甚至第三次重新黏附時，黏附效果大大下降；
2. 無法自由控制：還有一個難題是，一旦黏附，膠帶只能強行剝離，無法實現反復使用。例如，膠帶從紙張上撕下時，常會帶走部分紙纖維，因此無法反復使用。

我們從上述例子中不難看出，在不犧牲黏附力的前提下滿足黏附力的按需控制是傳統黏附材料無法實現的弊端。

光的魔法：讓材料“學會思考”

為了在人工合成材料體系中實現高/低黏附態的快速可逆轉換，蘭州化物所周峰團隊獨辟蹊徑，從兩種生物中獲得靈感：壁虎的微結構黏附機制和樹蛙的黏液分泌調節能力，研發出一種光控智能黏附材料。

他們將具有光熱響應（在紅外光源的照射下可以發熱，將光能轉化為熱能）的四氧化三鐵（Fe?O?）納米顆粒摻入軟體水凝膠材料，研發了一種通過近紅外光遠程控制的黏附性能可逆切換貼片。這種材料的設計包含三重智能結構：

——黏附層：受海洋生物的啟發，含有類似化學成分可以與各類基材形成豐富的弱相互作用。

——響應層：嵌入Fe?O?納米顆粒，可將光能轉化為熱能。具備溫度響應特性的化學組分，在45℃以上可以發生分子構象的變化。

——支撐層：柔性水凝膠基底（一種高含水量的軟膠狀物質），賦予材料拉伸性和一定強度（類似于透明膠帶）。

當近紅外光（一種不可見熱輻射光）照射時，納米顆粒迅速升溫至45℃，由于其均勻分散在水凝膠內部，從而使水凝膠整體溫度升高，引發響應層內部熱響應化學組分的結構變化從而遮蓋黏附層與基材形成相互作用力的黏附基團，在0.3秒內將黏附力下降97%。這就像給材料裝上了“光控開關”，在遠程即可實現黏附力大小的精準操控。

性能突破：超越自然的精準控制

通過相關科學測試手段對材料性能進行綜合評估，研究團隊發現這種材料的性能指標遠高于目前市面常見的傳統黏附材料：

1. 黏附強度：1平方厘米材料可垂直吊起5kg重物（相當于一大桶礦泉水）。

2. 循環壽命：經歷2000次黏附-脫離循環后，黏附性能仍然保持90%以上，展現出該材料非凡的耐用性能（傳統仿生膠帶通常不足100次）。

3. 響應速度：光照觸發脫黏在幾秒內即可完成，真正實現了用之即黏，取之即脫。正如下圖中所示，研究團隊演示了該材料在不銹鋼基板上的光熱響應行為，初始狀態下可穩定懸掛50g重物，近紅外光照后因黏附性能切換而黏附失效。

4. 基底適應性：在不銹鋼、玻璃、塑料等材料表面均表現出強黏附性（黏附強度7-9千帕，相當于每平方厘米承受約1公斤力）。

1. 創新優勢：協同整合了溫敏性化學組分與光熱納米顆粒，實現了材料黏附性能的遠程精準調控，將按需黏附從科幻走進現實。

圖片來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

科學解析：水凝膠的化學密碼

這項研發的材料背后涉及的黏附機理以及切換原理值得深入解讀：

1. 溫度響應單元：N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）成分使水凝膠在45℃發生相變（類似煮雞蛋時蛋白凝固），觸發內部非黏附基團的外露，從而遮蓋黏附功能單元，實現從黏到不黏的轉換。

2. 光熱轉換單元：均勻分布在材料內部的Fe?O?納米顆粒高效吸收近紅外光，將光能轉化為熱能從而使材料整體均勻升溫，以激活溫度響應單元。

3. 黏附功能單元：仿海洋生物的化學組分，通過一系列弱的微觀作用力與基材實現牢固結合。

4. 智能調節機制：升溫時，水凝膠由于相變在表面釋放水分，從而誘發內部親近水分子的化學成分羧酸基團（-COOH）遷移至黏附材料與被黏基材的界面，掩蓋黏附基團，大幅降低水凝膠與基材間的作用力，從而減小黏附力。在移除紅外光場，材料降溫時黏附基團重新暴露，材料黏附力可重新恢復。

這種“化學開關”設計巧妙規避了傳統黏合劑的殘留問題，實現了真正的無痕可逆黏附。

未來應用：科幻照進現實

從醫療到太空探索，智能黏附材料正將科幻場景變為現實。

在醫療領域，智能創可貼將通過簡單光源或熱源控制黏附，避免換藥時撕裂傷口，帶來革命性的改變。在太空科技方面，這類可切換黏附的智能材料未來有望用于太空機械臂，實現艙外修復所需的可控抓取與釋放。

這項研究的核心突破在于將生物靈感轉化為可工程化的化學設計。正如該研究團隊成員在研究過程中一貫的目標：“不是簡單模仿自然，而是從自然中尋求答案，用自然原理創造超越自然的仿生材料”。未來，通過集成更多響應模塊（如磁場變化、pH值變化），這類材料或將成為軟體機器人、可穿戴設備的“智能皮膚”，開啟黏附材料的智能時代。

出品：科普中國

作者：楊灝（中國科學院蘭州化學物理研究所）

監制：中國科普博覽