粘合剂广泛应用于从日常生活到航空航天工业的各个领域，因为它们能够将两种材料粘合在一起并防止它们分离。在大多数情况下，这些粘合剂可以与材料表面形成永久性和不可逆键，不能重复使用或再次拆卸。随着软机器人、柔性电子产品和智能设备的普及，具有可切换粘合能力的粘合剂将变得更加必要。然而实现超强的粘附性、高效切换能力及可靠使用寿命的可逆粘合剂一直是具有挑战性的。
针对以上研究现状，四川大学雷景新教授团队设计了一种基于多级动态稳定结构的自愈合、可切换粘合剂。受贻贝的启发，作者通过分子结构设计将1-(3-氨基丙基)咪唑和姜黄素配位单体引入聚氨酯体系中，与铜离子(Cu2+)进行配位形成动态金属配位键(图1)。结合密度泛函理论计算，具有不同键能的金属配位键（较强的Cu2+-姜黄素配合物和较弱的Cu2+-咪唑配合物）可在聚合物链段之间聚集形成多级动态稳定结构。这种特殊的结构不仅可以作为易于破坏和改造的牺牲位点，允许高效的可切换粘接和巨大的能量耗散，同时还能作为稳固位点从而维持粘合剂的内聚力和网络的可逆重构。有趣的是，CIPU: Cu2 +可以实现在室温环境下的自愈合以及近红外激光刺激下的快速修复，大大延长了粘合剂的有效使用寿命。
图1. 基于多级动态稳定结构的可切换粘合剂设计原理
作者还展示了可切换粘合剂的实际应用。制备的粘合剂可以通过热压或者刮涂的方式实现界面之间有效的粘合，有效应对了复杂的界面条件。同时粘合剂对不同类型的材料均具有优异的粘合能力，特别是金属表面（在铝片上的粘接强度可达2.46 MPa，通过粘合剂连接的铝片可以轻松挂起25 kg的重物。根据实际的需要，可以通过光照或者溶剂刺激粘合区域，实现粘合剂快速有效的可切换粘附(30秒)（图2）。在多次重复粘合/剥离操作后，可逆粘合剂的粘合性能和高效切换能力可基本保持，进一步揭示了其优异的可逆粘接能力。相信，这种材料在智能器件、可穿戴生物监测设备、半导体制造等方面都有潜在的应用前景，为下一代可切换胶粘剂的发展提供了新方向。
图2. CIPUs: Cu2+可切换粘合剂的实际应用
该工作以“Exploring Self-Healing and Switchable Adhesives based on Multi-Level Dynamic Stable Structure”为题，发表在《Small》。论文第一作者为四川大学博士研究生徐华梁，通讯作者为四川大学雷景新教授和江亮助理研究员。
原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202300626