这篇Nature Materials有创意！解决了常识中看似矛盾的问题！

研究背景

在生活中我们经常会用到胶带，会发现越强胶粘的胶带往往很难刮下来，粘合强度取决于裂缝如何在粘合界面上移动。通过抑制裂纹扩展，产生了强胶粘剂，但难以去除，而可重复使用的胶粘剂虽然促进了剥离，但胶粘强度被限制。这使得粘合剂通常要么是永久性的，要么是强度有限的可逆性的。

然而，许多应用越来越需要克服这种性能权衡的粘合剂，并且需要易于去除和重复使用的强附着力。这种看似矛盾的特性组合在一些应用中很重要，比如用于运动和抓取的机器人，用于牢固附着但易于拆卸的可穿戴电子设备，以监测健康和输送药物，以及用于组装和拆卸的制造，以减少浪费，重新利用材料和帮助回收。

成果简介

胶粘剂通常是强的和永久的或可逆的有限的强度。然而，目前制造可穿戴设备、机器人和材料拆卸所需的强而可逆粘合剂的策略缺乏对强度和释放的独立控制，需要复杂的制造或仅在特定条件下工作。

近日，弗吉尼亚理工大学Michael D. Bartlett教授团队报道了一种超材料粘合剂，通过编程切割架构同时实现强大的和可释放的粘附与空间可选择的粘附强度。非线性切割独特地抑制裂纹扩展，迫使裂纹向后扩展，以提高60倍的附着力，同时允许裂纹向相反方向扩展，以方便释放和重复使用。

该机制适用于湿和干条件下不同基材上的许多粘合剂，并在任何位置以两个方向同时独立可编程的粘附强度实现高度可调的粘附。作者在无掩模的数字制造框架中创建这些多功能材料，以快速定制粘合剂特性，并对下一代粘合剂进行确定性控制。这项工作以“Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

图文导读

图1. 高强度、易释放的超材料粘合剂

图2. 通过反向裂纹扩展增强附着力

在这里，作者介绍了一种超材料粘合剂，通过在胶膜中编程的非线性切割结构，可以实现强的、可逆的、定向的、空间选择性的粘合强度(图1a)。非线性切割由开放的多边形形状组成，通过捕获裂缝来控制粘合剂裂缝的传播，然后在高附着力下迫使它们反向传播(图1b,c)，并允许它们正常向前传播(图1d,e)。

通过反向裂纹扩展，作者将粘接界面处的高全局剥离角解耦为低局部剥离角。这种机制将附着强度提高到60倍，相对于没有切割的相同材料具有很强的附着力，同时也可以通过相反方向的剥离来轻松释放无图案粘合剂。

这些特性允许独立控制附着力和释放与可重用性。反向裂纹扩展还可以调整任何膜位置的粘接强度，并且可以在膜的单个区域内同时在两个方向上编程粘接强度。超材料粘合剂不依赖于特定的化学或环境条件、微结构表面或活性或图案刚度来调节粘合，而是利用非线性切割来高度系统地控制粘合裂纹在薄膜上的扩展和方向。

作者称这些为“超材料粘合剂”，因为非线性结构将全局应用载荷解耦为确定性的局部粘合剂响应，利用机械超材料的洞察力，解耦局部和全局机械特性。这种功能是几何形状固有的，使得能够增强性能，并在各种粘合剂，不同表面以及干燥和潮湿环境中实现独特的粘附行为。

这种对不同材料的适用性使得超材料粘合剂能够利用材料和几何机制来跨越一系列独特的粘合剂性能，从强而极可逆到强而极可逆，包括强度超过3,000 N m⁻¹ (J m⁻²)的粘合剂，这些粘合剂也是可重复使用和定向的。

这些多功能超材料胶粘剂实现了对胶粘剂裂缝运动的高度系统控制，这种特性使我们能够实现强附着力和易释放性的非常规组合，并同时在两个方向上编程胶粘剂强度。这种方法适用于许多粘合剂，同时引入了数字制造框架，可以在几分钟内自动设计和快速制造粘合剂，并在整个薄膜的任何位置对粘合剂特性进行确定性控制。

图3. 超材料胶粘剂的多功能性和性能比较

图4. 数字化胶粘剂制造

图5. 具有可编程强度和方向的超材料粘合剂

高附着力和易于释放的能力是许多应用的关键。为了演示包装中的超材料粘合剂，作者在商业运输胶带中添加了切割图案的布局，这样牢固的粘合确保了所有方向的密封，但粘合剂可以根据需要通过在特定方向上剥离来去除(图5a)。

一个用超材料胶带密封的盒子在五次跌落中承受了一块砖(1550克)的重量和冲击，而用同样的胶带密封的盒子在没有超材料切割的情况下，只在两次跌落后就完全崩溃了(图5a,b)。超材料粘合剂还可以在墙上挂东西，同时仍然很容易被移除(图5c)。

此外，作者使用了在一个位置控制两个方向的附着力的能力，使悬挂更加坚固，在顶部和底部边缘增加附着力，以防止无意中释放。用超材料粘合剂挂在墙上的框架保持了7天以上，没有观察到任何分层现象，然后很容易释放，而由无图案粘合剂支撑的框架在20分钟内脱落(图5d)。

超材料粘合剂也可以应用于可穿戴的形式因素。通过激光加工弹性体涂层手套的非线性切口，制成了一种超材料胶粘剂拾取-释放手套。这允许用户拿起一个扁平的物体，可靠地握住它，然后通过手腕旋转毫不费力地将物体释放到预定的位置，而无图案手套将物体放下(图5e,f)。

作者还为人机回圈可穿戴设备创建了超材料粘合条(图5h)。在这里，超材料粘合剂在边缘具有高附着力，具有很强的附着力，在初始剥离后易于去除。该可穿戴设备捕获人体运动并将信号无线传输到镜像机械臂上，该设备被连接到第一个用户的手臂上，在那里物体从机械臂上拾取，移动和释放(图5i)，然后转移到另一个用户再次移动物体(图5j,k)。切割图案还可以扩展为各种胶贴形状，包括用于可穿戴生理监测装置的圆形胶贴。

总结展望

这种超材料胶粘剂策略可以在不同的基材和条件下使用，以增强附着力，同时在多个方向上提供方向性和空间编程胶粘剂强度。通过无掩模的数字制造环境，可以快速输出化学或微特征模式无法完成的各种粘合剂特性。

此外，毫米厘米级的切割可以通过卷对卷技术(如旋转模切)创建，为扩大规模提供了途径。虽然这种超材料粘合方法适用于各种材料，但切割会引入可能破裂的位置，而本应撕裂的背衬可能会加剧这种影响。

然而，切割特性也可以提高可撕性，这可能对防伪和易于分发胶带有用。这种可编程粘附的反向裂纹扩展机制也可能为其他断裂过程带来新的机会，例如增韧块状材料，微/纳米系统中的粘附控制以及机器人运动中的粘附。因此，这些超材料粘合剂可以作为在不同材料和应用中对附着力的特殊控制的基础。

文献信息

Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation. (Nat. Mater. 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01577-2)

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01577-2

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/03/2545a7e78b/

这篇Nature Materials有创意！解决了常识中看似矛盾的问题！

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