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研究背景

在生活中我們經常會用到膠帶，會發現越強膠粘的膠帶往往很難刮下來，粘合強度取決于裂縫如何在粘合界面上移動。通過抑制裂紋擴展，產生了強膠粘劑，但難以去除，而可重復使用的膠粘劑雖然促進了剝離，但膠粘強度被限制。這使得粘合劑通常要么是永久性的，要么是強度有限的可逆性的。

然而，許多應用越來越需要克服這種性能權衡的粘合劑，并且需要易于去除和重復使用的強附著力。這種看似矛盾的特性組合在一些應用中很重要，比如用于運動和抓取的機器人，用于牢固附著但易于拆卸的可穿戴電子設備，以監測健康和輸送藥物，以及用于組裝和拆卸的制造，以減少浪費，重新利用材料和幫助回收。

成果簡介

膠粘劑通常是強的和永久的或可逆的有限的強度。然而，目前制造可穿戴設備、機器人和材料拆卸所需的強而可逆粘合劑的策略缺乏對強度和釋放的獨立控制，需要復雜的制造或僅在特定條件下工作。

近日，弗吉尼亞理工大學Michael D. Bartlett教授團隊報道了一種超材料粘合劑，通過編程切割架構同時實現強大的和可釋放的粘附與空間可選擇的粘附強度。非線性切割獨特地抑制裂紋擴展，迫使裂紋向后擴展，以提高60倍的附著力，同時允許裂紋向相反方向擴展，以方便釋放和重復使用。

該機制適用于濕和干條件下不同基材上的許多粘合劑，并在任何位置以兩個方向同時獨立可編程的粘附強度實現高度可調的粘附。作者在無掩模的數字制造框架中創建這些多功能材料，以快速定制粘合劑特性，并對下一代粘合劑進行確定性控制。這項工作以“Metamaterial adhesives for programmable adhesion through reverse crack propagation”為題發表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。

圖文導讀

圖1. 高強度、易釋放的超材料粘合劑

圖2. 通過反向裂紋擴展增強附著力

在這里，作者介紹了一種超材料粘合劑，通過在膠膜中編程的非線性切割結構，可以實現強的、可逆的、定向的、空間選擇性的粘合強度(圖1a)。非線性切割由開放的多邊形形狀組成，通過捕獲裂縫來控制粘合劑裂縫的傳播，然后在高附著力下迫使它們反向傳播(圖1b,c)，并允許它們正常向前傳播(圖1d,e)。

通過反向裂紋擴展，作者將粘接界面處的高全局剝離角解耦為低局部剝離角。這種機制將附著強度提高到60倍，相對于沒有切割的相同材料具有很強的附著力，同時也可以通過相反方向的剝離來輕松釋放無圖案粘合劑。

這些特性允許獨立控制附著力和釋放與可重用性。反向裂紋擴展還可以調整任何膜位置的粘接強度，并且可以在膜的單個區域內同時在兩個方向上編程粘接強度。超材料粘合劑不依賴于特定的化學或環境條件、微結構表面或活性或圖案剛度來調節粘合，而是利用非線性切割來高度系統地控制粘合裂紋在薄膜上的擴展和方向。

作者稱這些為“超材料粘合劑”，因為非線性結構將全局應用載荷解耦為確定性的局部粘合劑響應，利用機械超材料的洞察力，解耦局部和全局機械特性。這種功能是幾何形狀固有的，使得能夠增強性能，并在各種粘合劑，不同表面以及干燥和潮濕環境中實現獨特的粘附行為。

這種對不同材料的適用性使得超材料粘合劑能夠利用材料和幾何機制來跨越一系列獨特的粘合劑性能，從強而極可逆到強而極可逆，包括強度超過3,000 N m^?1 (J m^?2)的粘合劑，這些粘合劑也是可重復使用和定向的。

這些多功能超材料膠粘劑實現了對膠粘劑裂縫運動的高度系統控制，這種特性使我們能夠實現強附著力和易釋放性的非常規組合，并同時在兩個方向上編程膠粘劑強度。這種方法適用于許多粘合劑，同時引入了數字制造框架，可以在幾分鐘內自動設計和快速制造粘合劑，并在整個薄膜的任何位置對粘合劑特性進行確定性控制。

圖3. 超材料膠粘劑的多功能性和性能比較

圖4. 數字化膠粘劑制造

圖5. 具有可編程強度和方向的超材料粘合劑

高附著力和易于釋放的能力是許多應用的關鍵。為了演示包裝中的超材料粘合劑，作者在商業運輸膠帶中添加了切割圖案的布局，這樣牢固的粘合確保了所有方向的密封，但粘合劑可以根據需要通過在特定方向上剝離來去除(圖5a)。

一個用超材料膠帶密封的盒子在五次跌落中承受了一塊磚(1550克)的重量和沖擊，而用同樣的膠帶密封的盒子在沒有超材料切割的情況下，只在兩次跌落后就完全崩潰了(圖5a,b)。超材料粘合劑還可以在墻上掛東西，同時仍然很容易被移除(圖5c)。

此外，作者使用了在一個位置控制兩個方向的附著力的能力，使懸掛更加堅固，在頂部和底部邊緣增加附著力，以防止無意中釋放。用超材料粘合劑掛在墻上的框架保持了7天以上，沒有觀察到任何分層現象，然后很容易釋放，而由無圖案粘合劑支撐的框架在20分鐘內脫落(圖5d)。

超材料粘合劑也可以應用于可穿戴的形式因素。通過激光加工彈性體涂層手套的非線性切口，制成了一種超材料膠粘劑拾取-釋放手套。這允許用戶拿起一個扁平的物體，可靠地握住它，然后通過手腕旋轉毫不費力地將物體釋放到預定的位置，而無圖案手套將物體放下(圖5e,f)。

作者還為人機回圈可穿戴設備創建了超材料粘合條(圖5h)。在這里，超材料粘合劑在邊緣具有高附著力，具有很強的附著力，在初始剝離后易于去除。該可穿戴設備捕獲人體運動并將信號無線傳輸到鏡像機械臂上，該設備被連接到第一個用戶的手臂上，在那里物體從機械臂上拾取，移動和釋放(圖5i)，然后轉移到另一個用戶再次移動物體(圖5j,k)。切割圖案還可以擴展為各種膠貼形狀，包括用于可穿戴生理監測裝置的圓形膠貼。

總結展望

這種超材料膠粘劑策略可以在不同的基材和條件下使用，以增強附著力，同時在多個方向上提供方向性和空間編程膠粘劑強度。通過無掩模的數字制造環境，可以快速輸出化學或微特征模式無法完成的各種粘合劑特性。

此外，毫米厘米級的切割可以通過卷對卷技術(如旋轉模切)創建，為擴大規模提供了途徑。雖然這種超材料粘合方法適用于各種材料，但切割會引入可能破裂的位置，而本應撕裂的背襯可能會加劇這種影響。

然而，切割特性也可以提高可撕性，這可能對防偽和易于分發膠帶有用。這種可編程粘附的反向裂紋擴展機制也可能為其他斷裂過程帶來新的機會，例如增韌塊狀材料，微/納米系統中的粘附控制以及機器人運動中的粘附。因此，這些超材料粘合劑可以作為在不同材料和應用中對附著力的特殊控制的基礎。

文獻信息

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/03/2545a7e78b/

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