水下粘附材料在海洋工程、应急修复、水下传感、生物医学以及柔性电子等领域具有重要应用价值。然而，与空气环境相比，水下粘附面临更加复杂的界面和本体失效问题。凝胶的粘接强度通常由界面顺应性（interfacial compliance）和本体内聚强度（cohesive strength）共同决定，然而两者通常是矛盾的：具有高本体内聚强度的材料通常具有较高的硬度，难以和基材形成紧密接触，从而导致较低的界面强度。如何同时获得良好的界面顺应性和较高的本体内聚强度，一直是高性能水下粘合材料设计中的核心挑战。

  针对这一问题，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）Hongbo Zeng（曾宏波）教授团队提出了一种水诱导、离子响应相分离（water-induced, ion-responsive phase separation）策略，构筑了兼具界面顺应性、高能量耗散和离子导电性的离子凝胶水下粘合剂。与传统尽可能“排斥水”或“阻止吸水”的设计思路不同，该工作巧妙地将水由水下粘附的干扰因素转变为材料结构重组和性能增强的主动触发因素。所制备的离子凝胶在初始状态下具有均一而柔软的网络，可以快速适应粗糙的水下基底并形成充分界面接触；随后，随着水进入离子凝胶内部，疏水聚合物链发生聚集并形成聚合物富集微区，从而显著增强网络中的动态非共价相互作用和本体能量耗散能力。在模拟海水等盐溶液中，该凝胶的粘附强度还会进一步增强，粘附强度最高可提高约15 倍。结合原子力显微镜力谱分析和分子动力学模拟，研究人员揭示了盐浓度和离子种类调控聚合物聚集、相分离及水下粘附的分子机制，并发现 Na?和 K?能够产生显著不同的离子特异性效应。

  相关工作以“Water-Induced Ion-Responsive Phase Separation Enables Energy-Dissipative Ionogels for Robust Underwater Adhesion”为题，发表在《ACS Nano》上。加拿大阿尔伯塔大学曾宏波教授为论文通讯作者，博士生张鸿渐为第一作者。

图1： 离子凝胶的水下粘附性能。

图2： 离子凝胶在盐溶液中的粘接强度。盐浓度和离子种类对聚合物链聚集和链间相互作用的影响。

  在NaCl溶液中，随着离子强度提高，双电层被显著压缩，聚合物链间的静电排斥逐渐减弱。在0.7 M NaCl中，长程静电排斥几乎被完全屏蔽，使范德华力，疏水相互作用，阳离子-π相互作用等短程吸引作用占据主导，从而促进聚合物链靠近和聚集，有利于聚合物富集相的形成，最终实现凝胶本体内聚强度的进一步提升。相比Na⁺, K⁺对聚合物链上的芳香基团具有更高的亲和力，可与聚合物链上的阳离子基团竞争芳香结构的结合位点，从而部分破坏原有的链间阳离子-π相互作用。因此，在KCl溶液中，尽管电荷屏蔽同样能够降低链间静电排斥，但K⁺引起的竞争性阳离子-π相互作用会削弱聚合物链之间的有效结合，使其内聚作用和链聚集程度明显低于相同浓度的NaCl条件。

  总结：该研究为解决水下粘合剂中长期存在的“界面接触—本体内聚”矛盾提供了一种新的动态材料设计策略，即通过水诱导、离子响应的结构重组，实现材料由高界面顺应性向高本体能量耗散和高内聚强度的动态转变。同时，该离子凝胶兼具优异的水下粘附性能和离子导电性，展现出在水下应急密封、形变监测及水下信号通信等领域的应用潜力。其独特的离子响应特性也为进一步调控凝胶材料和柔性器件在复杂液相环境中的结构、力学性能及服役稳定性提供了新的设计思路。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c10134