客观日本

受“厚壳贻贝”启发,中国人在日本开发出可在海水中反复使用的粘合剂

2019年11月19日 化学材料

日本北海道大学创成研究机构化学反应创成研究基地(WPI-ICReDD)和北海道大学研究生院先端生命科学研究院的研究员范海龙,与北海道大学创成研究机构化学反应创成研究基地、北海道大学研究生院先端生命科学研究院及北海道大学国际合作研究教育局的龚剑萍教授等人组成的研究团队,开发出了可在海水中快速牢固粘合,而且能重复使用的新型粘合剂。

厚壳贻贝和藤壶等海洋附着生物通过分泌名为“粘附蛋白”的粘合剂,可以牢固地粘附在海水中的岩石上。而大多数人造粘合剂虽然在空气中能牢固粘结材料,但无法在水中和海洋中使用。

研究团队通过“相邻共聚法”(利用了阳离子单体与芳香环单体会形成弱复合体的特性),获得了阳离子位点与芳香环相邻排列的高分子化合物(图1)。调查发现,这种化合物在海水中能强力吸附到玻璃上。接下来,研究团队通过使该化合物在水中交联并固化,合成了带伸缩性的凝胶状粘合剂(图2)。

受“厚壳贻贝”启发,中国人在日本开发出可在海水中反复使用的粘合剂

图1:利用阳离子位点(+)与芳香环的相邻共聚制作的粘合剂的化学结构模式图。

受“厚壳贻贝”启发,中国人在日本开发出可在海水中反复使用的粘合剂

图2:此次开发的新型粘合剂。

研究团队利用该粘合剂在海水中对多种固体实施粘接试验发现,可以与金属、石头(陶瓷)、玻璃、塑料等带负电的固体快速、牢固地粘结。粘结强度非常高,最大约达到60kPa(每平方米粘结面可承受6吨的重量),而且还可以反复剥离和重新粘结。图3是实际粘结情况。此次合成的凝胶状粘合剂与被粘物(玻璃块)只需在海水中按压5秒即可牢固粘附到一起,虽然粘合面积仅约1/4个1元硬币大小,但能承受约500g的玻璃块。而采用阳离子位点与芳香环随机排列的高分子化合物时,则不具备这么强的粘结力。这表明,该化合物在海水中实现的高粘结强度源于阳离子位点与芳香环相邻共聚排列的结构。

受“厚壳贻贝”启发,中国人在日本开发出可在海水中反复使用的粘合剂

图3:利用新型粘合剂在海水中实施的粘结演示。玻璃与粘合剂在海水中只需接触5秒即可强力粘结在一起。

本研究还是全球首次报告开发出可在海水中反复使用的粘合剂。除了可以在海水中将该材料作为临时固定剂和破损修补剂使用外,还有望利用该技术在海水中制造混凝土等。

相关研究成果已发布在2019年11月12日公开的期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上。

论文题目:Adjacent cationic–aromatic sequences yield strong electrostatic adhesion of hydrogels in seawater
期刊名称:《自然-通讯》
DOI:10.1038/s41467-019-13171-9

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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