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水通常被視為一種潤滑劑，因為它能分隔兩個固體表面之間的接觸面，從而減弱分子間作用力。事實上，由于范德華相互作用的有效范圍<0.6 nm，所以只要有幾層水分子 (~1 nm)隔開界面，固體表面之間的范德華力就會被削弱。再加上固體表面通常是凹凸不平且粗糙的，預計平均間隙會更高涂料在線coatingol.com。正因如此，水下可逆粘接一直是一個重大的挑戰。

在各種醫療和工業應用中，需要水下粘接的場合十分常見，例如醫療貼片、組織工程以及水下軟機器人等。目前已報道的水下粘接策略主要是界面疏水設計、直接化學鍵合以及利用強韌水凝膠中的動態鍵。這些解決方案限制了粘接表面的多樣性，并且存在耐用性低、易溶脹的缺點。

在自然界中，一些水生動物，如章魚（圖1A）、喉盤魚和鮣魚能利用吸盤附著在物體表面以進行運動。受大自然的啟發，人們設計出一些吸盤結構用于水下應用。已報道的水下吸盤的附著應力可高達1 MPa，數量級高于干式吸盤的附著強度極限0.1 MPa（大氣壓）。這說明吸盤在水中具有比在空氣中更強大的附著機理。然而目前的研究都未能揭示水下吸盤附著和分離的機理。

鑒于此，萊布尼茲新材料研究所René Hensel團隊采用雙光子光刻技術制備了微型吸盤，再結合原位壓力傳感器和觀察相機，分析了吸盤在水下附著/分離的詳細性質，揭示了吸盤在水下附著過程中的流體動力學，確定了吸盤在水下分離過程中的三種不同的脫離機制。該機制為水下運輸和水下機器人技術的發展帶來了靈感。該研究以題為“Water as a “glue”: Elasticity-enhanced wet attachment of biomimetic microcup structures”的論文發表在最新一期《Science Advances》上。

【范德華力對吸盤的作用】

作者采用雙光子光刻和亞毫米級成型工藝制備了由根莖和錐形唇部組成的聚氨酯微型吸盤（圖1B）。吸盤被倒置并壓在雙面拋光的硅晶片基板上（圖1C）。對于一些襯底，在晶片上蝕刻出方孔。該方孔允許在吸盤脫離期間內部流體（空氣或水）流動。吸盤被一定的預緊力壓在有孔和沒有孔的基板上，然后以一定的速度被拉脫（圖1D）。

空氣中吸盤的測試結果表明，在空氣中，帶孔和不帶孔的基板的拉脫應力相似，這意味著抽吸壓力起次要作用。此外，脫離應力是大氣壓 (~100 kPa) 的兩倍多，這說明范德華力在干燥條件下在微尺度附著過程中占主導地位。

而水下吸盤的結果剛好相反。對于不能產生吸力的帶有孔的基板，附著力可以忽略不計，而對于沒有孔的基板，附著強度超過1 MPa（大氣壓的10倍）。而當微孔被堵塞，附著應力又會增加兩個數量級。這說明在存在孔的情況下，唇部和基板之間的范德華力對附著沒有貢獻。而在沒有孔的情況下，水的存在所維持的靜液壓有助于附著。

為了確定范德華力的任何貢獻，我們需要在原位回縮期間獨立測量杯子內部的吸入壓力。我們通過開發一種內置于基板的壓力傳感器來進行這種壓力測量。

圖1. 微型吸盤的生物靈感及其在水下粘接中的應用。

【水下吸盤強附著機理】

在實驗結果的基礎上，作者提出了水下吸盤強附著的機理：在吸盤被拉脫的過程中，吸力會在吸盤空腔內部以及唇部和基板之間產生。吸力將唇部拉向基板，并減少它們之間的間隙，從而減少水流進入杯子。這種“自密封”的機制進一步導致吸力的增加，直到吸盤和基板分離。作者建立了數學模型來描述這一過程，模型的預測結果與實驗結果一致。（圖2）

圖2. 內置微型壓力傳感器的拉斷實驗。

【水下吸盤分離機理】

作者通過實驗總結出了水下吸盤的三種分離模式（圖3）。一，當唇部寬度較小或拉脫速度較低時，會發生一種強度很弱的分離模式（模式 I）。唇部不會被拉向基板，也不會產生吸力，分離力可以忽略不計（圖3A）。二，隨著唇部寬度和拉脫速度的增加，唇部與基板接合，并產生吸力。隨著拉脫速度的增加，當唇部上的吸力無法平衡連接處的拉脫力時，吸盤就會脫離（模式 II；圖3B）。如圖3Bi所示，唇部吸力的增加率在拉脫的早期階段超過了拉脫力的速度，唇部被吸向基板。隨著進一步加載，拉脫力逐漸平衡然后超過吸力，最后吸盤分離。三，在模式III中，唇部上的吸力始終超過拉脫力，當唇部因切向壓縮而發生屈曲脫離平面時，吸盤會發生突然的脫離（模式 III；圖3C）。這是因為唇部的屈曲導致唇緣形成徑向通道，允許液體從外部流動，從而破壞了吸力。作者使用有限元分析通過實驗和計算相結合，測試了模式 III 的可能性。模擬結果中唇部發生的屈曲變形與實驗結果一致。（圖4）

圖3. 三種脫離模式及其與理論預測的比較。

圖4. 回縮過程中的屈曲失效機制。

【小結】

該工作解釋了可變形微型吸盤附著的詳細機制。在水下，水確實可以充當兩個吸盤和基板之間的粘接劑。作者通過實驗、理論分析和有限元模擬得出以下結論：

1) 在潮濕的環境中，可以通過吸盤與基板之間存在的水來實現兩個表面之間的牢固附著。該水下吸盤的附著強度遠高于大氣壓，并且比干燥條件下的強度高出大約一個數量級。

2) 可變形微型吸盤的水下附著與在空氣中的附著在本質上是不同的。后者主要受范德華力控制，而前者依賴于幾何、彈性、拉脫速度和流體動力學之間的復雜相互作用。

3) 在現實條件下，水下附著強度受限于吸盤/根莖結構的彈性特性，而不是水的固有空腔作用特性。通過選擇合適的材料參數來延遲吸盤唇部發生屈曲，可進一步提高附著強度。