本文介绍了一项关于仿生可逆水下粘合剂的研究，该研究由Yanhua Zhao、Yang Wu、Liang Wang等作者共同完成，研究团队来自香港城市大学机械与生物医学工程系、中国科学院兰州化学物理研究所、吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室等多个机构。该研究于2017年发表在《Nature Communications》期刊上，文章标题为“Bio-inspired reversible underwater adhesive”。
在粘附科学与材料工程领域，设计能够在湿润环境中实现可切换粘附性能的智能表面一直是一个重大挑战。尽管在模仿自然界中通过儿茶酚化学（catechol chemistry）、聚电解质复合物（polyelectrolyte complex）和超分子结构（supramolecular architectures）实现的卓越湿粘附方面取得了显著进展，但完全复现自然界中的动态功能仍然存在局限性。许多工业应用，如水管道泄漏、船体腐蚀和人工牙齿脱落等问题，都需要在湿润环境中保持强粘附性。此外，许多实际应用还要求粘附材料能够按需粘附，以防止无差别粘附。因此，开发能够在湿润环境中实现可切换粘附性能的智能材料是粘附科学与技术中的一个重要挑战。
自然界中的许多海洋生物，如贻贝、沙堡蠕虫和藤壶，通过儿茶酚化学、聚电解质复合物和超分子结构的巧妙结合，实现了强大的湿粘附机制。过去十年中，研究人员通过使用3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（DOPA）基团成功模仿了这种湿粘附能力。然而，尽管取得了令人兴奋的进展，复现自然界的功能动态仍然有限。与干燥条件下通过外部刺激（如pH、光、温度、湿度和磁力）或通过调节材料本体性质实现可逆粘附不同，湿润环境中的可逆粘附由于复杂的界面相互作用而难以实现。
本研究提出了一种简便的方法来合成仿生粘合剂，该粘合剂能够在湿润环境中实现可逆、可调节和快速的粘附调控。研究团队利用儿茶酚化学、响应性润湿性以及选择性主客体相互作用（host–guest interaction）的协同作用，实现了对粘附性能的可逆、高度可调和动态控制。
粘合剂主要由两种共聚物组成：一种是由贻贝启发的客体粘合剂共聚物，另一种是热响应性主体共聚物。首先，研究团队将贻贝启发的DOPA聚合物与客体基团金刚烷（adamantine, AD）和甲氧基乙基丙烯酸酯（methoxyethyl acrylate, MEA）单体结合，形成客体共聚物（PDOPA-AD-MEA）。其中，DOPA作为粘附基团，AD作为能够通过主客体识别与主体基团结合的客体基团，MEA作为疏水基质以增强DOPA的粘附性能。为了可逆调节湿粘附性能，研究团队进一步合成了主体共聚物PNIPAM-CD，其中聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）是一种智能响应性聚合物，以其在温度变化时的可逆构象转变而闻名，β-环糊精（β-CD）则是设计用于与客体共聚物中的AD基团选择性结合的主体分子。最后，研究团队通过浸涂法将制备的客体共聚物沉积在硅基底上，随后通过主客体化学自组装主体共聚物。
研究团队使用带有温度控制器的原子力显微镜（AFM）测量了制备的粘合剂涂层的湿粘附性能。在高于低临界溶解温度（LCST）的局部温度（40°C）下，粘附力约为23 nN；当粘合剂表面温度低于LCST（25°C）时，界面粘附被停用，粘附力降至约2.2 nN。这种粘附力的显著变化反映了其在不同温度下的可逆性。此外，研究团队还使用高灵敏度万能试验机对宏观粘附性能进行了测量，结果显示在40°C下的粘附强度比25°C下高出约20倍。
研究结果表明，该仿生粘合剂能够在湿润环境中实现可逆、动态和快速的粘附调控。通过温度触发，粘附性能可以在不同条件下灵活调节。此外，研究团队还探讨了pH值和离子类型对粘附强度的影响，发现粘附强度在酸性条件下较为稳定，而在碱性条件下显著降低。特别是在FeCl3溶液中，粘附性能几乎完全丧失，这可能是由于Fe3+与DOPA基团的化学结合导致的。
本研究成功开发了一种基于仿生原理的可逆水下粘合剂，该粘合剂能够在湿润环境中通过温度触发实现可逆粘附。这一成果不仅为粘附科学与材料工程领域提供了新的思路，还在工业应用中具有广泛的应用前景，如水下修复、医疗器械和微机器人等领域。该研究的创新之处在于通过主客体相互作用和温度响应性聚合物的协同作用，实现了对粘附性能的精确调控，超越了传统粘附材料的局限性。
总的来说，这项研究为设计和开发新型智能粘附材料提供了重要的理论和实验基础，具有重要的科学和应用价值。