电粘附开创新型植入物和机器人技术

ACS CENTRAL SCIENCE

一项新的研究发现，在一片生番茄或鸡肉等软材料上通几秒钟电，可以在没有任何胶带或胶水的情况下将其牢固地粘合到石墨板等硬物体上。马里兰大学的科学家说，这种意想不到的影响也是可逆的——改变电流的方向通常很容易将材料分离。这种“电粘附”甚至可以在水下工作，其潜在应用可能包括改进的生物医学（https://spectrum.ieee.org/topic/biomedical/）植入物和受生物启发的机器人。

马里兰大学化学和生物分子工程教授Srinivasa Raghavan说：“令人惊讶的是，这种效应没有更早地被发现。这是一个自我们有了电池以来，几乎就可以实现的发现。”

在自然界中，活体组织之类的软材料通常与诸如骨骼之类的坚硬物体结合在一起。之前的研究探索了实现这一壮举的化学方法，例如使用模仿贻贝如何粘附在岩石和船只上的胶水（https://www.upi.com/Science_News/2004/01/13/Superglue-could-aid-shipping-medicine/28001074010500/）。然而，这些联结通常是不可逆的。

此前，Raghavan和他的同事发现，电可以使凝胶粘附在生物组织上，这一发现有朝一日可能会产生有助于修复伤口的凝胶贴片（https://chbe.umd.edu/news/story/umd-research-team-createsnbsplsquoswitchablersquo-adhesive-for-repairing-cuts-and-tears-in-tissue）。在这项新的研究中，他们没有将两种软材料粘合在一起，而是探索了电是否能使软材料粘在硬物体上。

科学家们从一对石墨电极（由阳极和阴极组成，https://spectrum.ieee.org/solid-state-battery）和丙烯酰胺凝胶（https://www.niehs.nih.gov/health/topics/agents/acrylamide）开始。他们在凝胶上施加5伏电压，持续3分钟。令人惊讶的是，他们发现凝胶牢固地结合在石墨阳极上。试图将凝胶和电极分开通常会使凝胶破裂，在电极上留下凝胶碎片。在去除电压后，这种结合显然可以无限期地持续下去，研究人员如此持续了几个月。

然而，当研究人员切换电流的极性时，丙烯酰胺凝胶从阳极上脱落。相反，它粘附在另一个电极上。

Raghavan和他的同事以多种不同的方式对这种新发现的电粘附效应进行了实验。他们尝试了许多不同的软材料，如番茄、苹果、牛肉、鸡肉、猪肉和明胶，以及不同的电极，如铜、铅、锡、镍、铁、锌和钛。他们还改变了电压的强度和施加时间。

研究人员发现，软材料中的盐含量在电粘附效应中起着重要作用。盐使软材料具有导电性，高浓度的盐可能帮助凝胶在几秒钟内粘附到电极上。

同时，科学家们还发现，铜、铅和锡等更善于电粘附。相反，镍、铁、锌和钛等牢牢抓住电子的金属表现不佳。

这些发现表明，电粘附是由电极和软材料交换电子后的化学键引起的。根据硬材料和软材料的性质，粘附发生在阳极、阴极、两个电极，或者两者都不发生。提高电压的强度和施加电压的时间通常会增加粘合强度。

Raghavan说：“令人惊讶的是，这种影响如此简单，而且应用可能非常广泛。”

电粘附的潜在应用可能包括改进生物医学植入物——研究人员表示，将组织结合到钢或钛上的能力可能有助于增强植入物。他们补充道，电粘附还可能有助于创造出具有坚硬骨骼状骨骼和柔软肌肉状元素的仿生机器人。Raghavan说，他们还认为，电粘附可能会构成软电解质与硬电极结合的新型电池，尽管尚不清楚这种粘附是否会对电池的性能产生很大影响。

研究人员还发现，电粘附可能发生在水下，他们认为这可能为这种效应开辟更广泛的可能应用范围。典型的粘合剂在水下不起作用，因为许多粘合剂不能扩散到浸没在液体中的固体表面上，甚至通常由于液体的干扰而只能形成弱粘合的粘合剂。

Raghavan说：“我很难确定这一发现的真正应用。这让我想起了Velcro or Post-it notes背后的的研究人员——当这些发现被发现时，他们并不清楚这些应用，但随着时间的推移，这些应用确实出现了。”

3月13日，科学家们在ACS Central Science杂志上在线详细介绍了他们的发现（dx.doi.org/10.1021/acscentsci.3c01593）。