在自然界中，壁虎能在垂直玻璃上自由攀爬，樹蛙能在雨林濕滑的葉片上穩穩附著。這些生物的“超能力”長期以來令科學家著迷。這種獨特的運動能力源于其快速可逆的黏附狀態切換機制。然而，在合成材料體系中實現高/低黏附態的快速可逆轉換仍面臨挑戰，主要受限于材料雙穩態的穩定性、狀態切換的動力學速率以及兩態間的黏附性能差異三個關鍵因素。

近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料全國重點實驗室周峰研究員團隊與西北工業大學合作通過仿生科學與材料技術的結合，成功解鎖了光控智能黏附材料的“新密碼”。這項成果不僅讓實驗室里的水凝膠材料擁有了“黏”與“脫”的自由切換能力，更為醫療、機器人等領域的技術革新提供了全新思路。相關論文發表于《化學與生物工程》。

從壁虎腳趾到“零殘留”智能材料

“傳統膠帶撕下來時會疼，醫用敷料揭掉時可能二次損傷皮膚——這些痛點讓我們開始思考，是否能設計一種像壁虎腳掌那樣‘按得牢、撕得輕’的智能材料？”蘭州化物所研究員周峰開門見山地解釋了研究的初衷。

壁虎的腳趾覆蓋著數百萬根納米級剛毛，這些剛毛通過范德華力（分子間的吸引力）牢牢吸附在任何表面，無需黏性物質即可實現瞬時強黏附。更神奇的是，壁虎只需改變腳趾角度，就能瞬間“解鎖”黏附力，輕松脫離。而樹蛙的腳趾則依賴微米級溝槽和自分泌黏液，在潮濕環境中保持穩定附著，展現了復雜環境下的適應性。

“仿生的難點在于，生物的精妙結構和動態調控能力難以直接復制到人工材料中?！敝芊逄寡裕氨热绫诨偯募{米精度制造成本極高，而樹蛙的黏液分泌需要復雜的生物系統支持。”

而人工材料往往依賴外部刺激（如光、熱），響應速度和環境適應性受限。盡管挑戰重重，研究人員還是通過仿生結構簡化、動態聚合物開發等策略逐步實現類自然界的“智能黏附”。

為突破這一瓶頸，團隊設計了一種“光控水凝膠”：將光熱納米顆粒（四氧化三鐵）嵌入溫敏性水凝膠基體中。

當紅外光照射時，納米顆粒將光能轉化為熱能，觸發水凝膠表面分子的“隱身術”——原本暴露的黏附基團被親水性基團覆蓋，黏附力從9.86千帕（類似醫用膠帶）驟降至0.26千帕（接近無黏附）。

最為關鍵的是，撤去光源后，材料迅速恢復高黏附狀態，且10次循環后無任何殘留。“就像給材料裝上了‘光控開關’，紅外光一照就能遠程指揮它黏住或松開?！敝芊逍蜗蟮乇扔鞯?。

“光熱-分子舞蹈”背后的科學奧秘

要理解這種材料的魔法，需要深入到分子層面。研究團隊將水凝膠比作“小抓手”和“小雨傘”——負責黏附的兒茶酚基團和負責保護的羧酸基團。

周峰解釋道：“我們可以想象水凝膠表面有很多小抓手和小雨傘，而紅外光負責傘的打開與閉合。當沒有光的時候，傘葉閉合，小抓手就可以抓住任何外來物體；然而，一旦光控制傘葉打開，小抓手就被傘葉罩蓋，削弱了小抓手的捕獲能力。”

其中，小抓手就是水凝膠中的黏附基團（兒茶酚），而傘葉就是羧酸基團。然而，光是怎么告訴傘葉打開和關閉的呢？其實，紅外光控制傘葉的關閉和打開還與水凝膠中的四氧化三鐵納米離子和溫敏性官能基團有關。

納米粒子能夠吸收光，并將其轉化為熱，而N-異丙基丙烯酰胺基團能夠通過熱把自己從親水狀態變為疏水狀態，從而降低水凝膠的儲水能力，導致有一部分水從表面滲出。滲出的水誘導羧酸基團遷移到表面，也就是傘葉打開。反之，不用光照射，傘葉關閉。

實驗中，團隊意外發現，水分子不僅是物理屏障，還會引發表面分子構象的動態變化?！捌鸪跷覀冎豢紤]到表面水的滲出，想當然的認為高溫下表面黏附性能的削弱主要源于水分子阻隔了界面接觸。但后來發現，我們發現水不僅僅只是阻礙界面接觸，其實表面水的出現還牽扯一系列分子構象的變化，而這些變化才是影響界面黏附的關鍵。”周峰強調，這一發現推翻了早期假設，也讓團隊對界面黏附機制有了更深理解。

光控黏附的“柔性革命”

對于智能黏附材料來說，是否經得起可逆循環是評價其性能優異性的標準，這也與未來的潛在應用場景有關。

在醫療領域，對于大創面深度傷口如燒傷等，因為失去大面積皮膚保護極易給患者帶來感染風險，采用水凝膠類皮膚敷料代替皮膚保護傷口是我們日常生活中常見的防護策略。

然而，常規敷料的高黏附特性在去除時會給患者帶來極大地痛苦，具有按需黏附的光控水凝膠可在敷料揭除時保持低黏附，減輕患者疼痛。在敷于傷口時實現高黏附，在脫附時呈現低黏附。

“想象一下，醫生只需用紅外光筆輕輕一照，敷料就能輕松脫離傷口，同時保持濕潤環境促進愈合?！敝芊迕枥L了這一場景。

此外，在機器人領域，這種材料有望成為“輕量化黏附足部”的理想選擇。“軟體機器人需要在垂直甚至倒掛表面快速移動，傳統電磁或真空吸附系統又重又耗能。而我們的材料僅需一束光，就能實現高效攀爬?！敝芊逖a充道。

柔性電子設備同樣受益匪淺。未來，智能手表或健康監測貼片可能通過光控黏附技術實現“按需貼合”，既避免皮膚過敏，又能確保傳感器與皮膚的穩定接觸。

這項突破并非一蹴而就。周峰回憶，在幾年前，團隊一直攻克高強韌黏附水凝膠材料，偶然發現一種材料在多次按壓后黏性驟降?！霸摤F象引起了研究人員的極大興趣，經過對材料的成分分析，機理驗證等，才知道原來在多次按壓以后，手部的溫度傳遞于凝膠表面，導致凝膠發生相變，呈現低黏附態?！?/p>

當時團隊反復測試，發現是手溫觸發了材料的相變。這讓團隊意識到，溫度可能是調控黏附性能的鑰匙。

從偶然現象到可控機制，團隊歷時數年驗證了光熱效應與分子遷移的協同作用。“科學研究往往源于對異常現象的好奇心。這次偶然發現提醒我們，基礎研究的價值在于為應用打開新窗口。”

當被問及未來計劃時，周峰表示：“我們正在探索更高精度的空間控制和更低能耗的響應機制。希望這種材料能成為智能裝備的‘柔性關節’，讓技術更貼近生命的需求?！保▉碓矗褐袊茖W報 葉滿山）

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