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一只普通的小黃鴨,竟然登上了全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》的封面?
8 月 6 日,北海道大學(xué)龔劍萍、深圳大學(xué)范海龍、蘇州實(shí)驗(yàn)室李偉合作在《Nature》上發(fā)表題為《Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels》的研究論文,成功開發(fā)出一款具有卓-越黏著性能的水凝膠(hydrogel)。《Nature》的封面上,波濤洶涌的海邊,這只橡膠小黃鴨牢牢粘在巖石上,任憑海浪拍打也紋絲不動(dòng) —— 它靠的不是普通膠水,而是人工智能設(shè)計(jì)的水下超-強(qiáng)粘合水凝膠,其粘合強(qiáng)度超 1 兆帕(相當(dāng)于 10 個(gè)大氣壓),是傳統(tǒng)水下粘合材料的十倍以上。

隨著超-強(qiáng)粘合水凝膠在醫(yī)療敷料、電子封裝、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域成為關(guān)鍵材料,不少人疑惑:它為什么能有這么強(qiáng)的粘附力?其實(shí),這一性能并非由單一因素決定,而是與材料內(nèi)部分子鏈段的結(jié)構(gòu)、比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。過去,由于檢測(cè)技術(shù)局限,行業(yè)難以精準(zhǔn)解析分子層面關(guān)鍵信息,導(dǎo)致配方優(yōu)化效率低下;如今,低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的出現(xiàn),為揭開其高粘附力 “秘密" 提供了突破性解決方案。
一、超-強(qiáng)粘合水凝膠的粘附力,由分子鏈段 “軟硬平衡" 決定
理解其強(qiáng)粘附力,先看內(nèi)部分子結(jié)構(gòu):水凝膠分子鏈段分硬段(交聯(lián)段)和軟段(非交聯(lián)段),二者比例與運(yùn)動(dòng)狀態(tài),直接決定粘附性能與實(shí)用強(qiáng)度。
硬段:定內(nèi)聚力,防 “自斷"
硬段是交聯(lián)形成的剛性部分,像 “骨架" 般提供內(nèi)聚力。比例過低,水凝膠易在粘附時(shí)斷裂;過高則材料變硬脆,難貼合不規(guī)則表面,反而降粘附效果。
軟段:主粘附力,促 “貼合"
軟段是未交聯(lián)的柔性部分,是粘附力核心。柔性越強(qiáng)、比例越優(yōu),水凝膠越易潤(rùn)濕被粘表面(皮膚、金屬等),通過范德華力、氫鍵實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。但軟段并非越多越好:過多易蠕變、降強(qiáng)度,過少則難潤(rùn)濕、弱粘附。
可見,超-強(qiáng)粘合水凝膠的高粘附力,本質(zhì)是硬段與軟段 “軟硬平衡" 的結(jié)果 —— 軟段保貼合,硬段保穩(wěn)定。但如何精準(zhǔn)檢測(cè)二者比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?過去的傳統(tǒng)方法始終有局限。
二、檢測(cè)方法的局限:無法精準(zhǔn)解析 “軟硬平衡",配方優(yōu)化如 “盲人摸象"
低場(chǎng)核磁技術(shù)應(yīng)用前,行業(yè)主要靠溶脹法和熱分析法(TGA、DSC)評(píng)估水凝膠性能,但二者缺陷明顯,難捕捉 “軟硬段平衡" 信息,導(dǎo)致配方優(yōu)化低效。
溶脹法:精度低、缺關(guān)鍵信息
通過溶劑浸泡測(cè)溶脹度推測(cè)交聯(lián)密度(硬段指標(biāo)),但受溫度、溶劑濃度等影響,結(jié)果重復(fù)性差;且只能粗略判斷交聯(lián)度,無法區(qū)分軟硬段比例與分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài),難給配方調(diào)整提供方向。
熱分析法:耗時(shí)久、難直接定位問題
需復(fù)雜升降溫程序,單次測(cè)試數(shù)小時(shí),不滿足產(chǎn)線快速檢測(cè)需求;且只能通過溫度數(shù)據(jù)間接反推性能,無法直接獲取分子鏈段運(yùn)動(dòng)狀態(tài),研發(fā)人員難定位粘附力不足的原因 —— 是軟段比例不夠?還是運(yùn)動(dòng)性差?如同 “盲人摸象"。
傳統(tǒng)方法的缺陷,長(zhǎng)期制約高粘附力水凝膠的研發(fā)效率,直到低場(chǎng)核磁共振技術(shù)出現(xiàn),這一困境才被打破。
三、低場(chǎng)核磁共振技術(shù):一分鐘揭秘分子鏈段狀態(tài),直接關(guān)聯(lián)粘附力
低場(chǎng)核磁共振技術(shù)之所以能成為解析超-強(qiáng)粘合水凝膠的 “利器",核心在于其無損、快速、定量的優(yōu)勢(shì) —— 無需破壞樣品,1 分鐘內(nèi)即可完成測(cè)試,且能直接獲取硬段、軟段及中間相的比例與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),從分子層面揭示 “粘附力強(qiáng)" 的本質(zhì)。
1、技術(shù)原理:通過 “氫質(zhì)子弛豫" 區(qū)分軟硬段
低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的核心邏輯,是基于水凝膠分子鏈中氫質(zhì)子的弛豫行為差異,來區(qū)分硬段與軟段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):
激發(fā):通過脈沖磁場(chǎng)擾動(dòng)水凝膠中的氫質(zhì)子,使其自旋方向偏離平衡態(tài);
弛豫:停止脈沖后,氫質(zhì)子會(huì)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài),這一過程稱為 “弛豫"。其中,硬段因分子運(yùn)動(dòng)受限(剛性強(qiáng)),氫質(zhì)子恢復(fù)速度快,對(duì)應(yīng)的 “T2 弛豫時(shí)間" 短;軟段因分子運(yùn)動(dòng)自由(柔性強(qiáng)),氫質(zhì)子恢復(fù)速度慢,對(duì)應(yīng)的 “T2 弛豫時(shí)間" 長(zhǎng);
2、直接關(guān)聯(lián)粘附力:軟段指標(biāo)是 “關(guān)鍵信號(hào)"
通過低場(chǎng)核磁共振技術(shù),研發(fā)人員能直接將分子鏈段數(shù)據(jù)與粘附性能掛鉤,快速判斷 “超-強(qiáng)粘合水凝膠為什么能粘附力那么強(qiáng)":
若測(cè)試結(jié)果顯示,水凝膠的軟段 T2 弛豫時(shí)間高、軟段占比合理(通常軟段占比需結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整,如醫(yī)療敷料需兼顧柔性與強(qiáng)度),則說明軟段的柔性與潤(rùn)濕性優(yōu)異,能與被粘表面形成強(qiáng)分子間作用力,粘附力自然更強(qiáng)。
若軟段 T2 值低(運(yùn)動(dòng)性差)或占比不足,則可直接判斷 “粘附力不足" 的原因是軟段性能不達(dá)標(biāo),進(jìn)而針對(duì)性調(diào)整配方(如增加軟段單體比例、優(yōu)化交聯(lián)度);
若軟段占比過高、硬段不足,則可通過補(bǔ)充硬段單體,避免水凝膠蠕變,保證實(shí)用粘附強(qiáng)度。
3、技術(shù)優(yōu)勢(shì):解決傳統(tǒng)方法的所有痛點(diǎn)
無損檢測(cè):無需切割、溶解樣品,尤其適合珍貴的研發(fā)樣品或成品檢測(cè);
超快速:1 分鐘內(nèi)完成測(cè)試,遠(yuǎn)超熱分析法 “數(shù)小時(shí)" 的耗時(shí),可滿足產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控與研發(fā)快速迭代需求;
定量精準(zhǔn):直接輸出硬段、軟段比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),無需間接推測(cè)
回到最初的問題 ——“超-強(qiáng)粘合水凝膠為什么能粘附力那么強(qiáng)?" 答案其實(shí)很明確:是材料內(nèi)部硬段與軟段的 “軟硬平衡",尤其是軟段的優(yōu)異潤(rùn)濕性與合理占比,共同造就了高粘附力。而低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的出現(xiàn),讓這一 “分子層面的平衡" 從 “看不見、摸不著" 變?yōu)?“可量化、可調(diào)控",徹-底改變了行業(yè)過去依賴經(jīng)驗(yàn)、效率低下的研發(fā)模式。
實(shí)驗(yàn)案例:低場(chǎng)核磁技術(shù)測(cè)試不同熟化時(shí)間的psa壓膠的軟硬段

→硬段弛豫時(shí)間、硬段比例變化不大,內(nèi)聚力差異不大,說明殘膠有可能是粘附力失控造成的
→軟段弛豫時(shí)間隨著熟化時(shí)間增加,T2時(shí)間變短,軟段變硬,粘性變?nèi)?/span>
→軟段弛豫時(shí)間滿足1.5ms<T23<2ms范圍內(nèi),psa膠能滿足粘性條件且無殘膠問題。