近期，材料科学与工程学院徐晓峰教授课题组在国际顶尖材料期刊《Advanced Functional Materials》发表了题为“Self-Contained Underwater Adhesion and Informational Labeling Enabled by Arene-Functionalized Polymeric Ionogels”《芳烃功能化聚合物离子凝胶实现水下粘附与荧光标记》的研究成果。本项研究通过芳香取代基、氟化配体离子、共聚物链段结构和三维交联网络的协同调控，开发了具有优异水下粘附性能的离子凝胶，从分子结构设计角度研究了增强粘附强度、抗溶胀和自愈合性能的内在机制，利用芳香侧基扩展了共轭结构赋予离子凝胶在紫外光激发下的荧光性能，揭示出该系列离子凝胶在水下标记、信息加密和信号传输等领域的潜在应用。本项研究得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者青年项目、山东省自然科学基金等项目的支持。学院海洋材料科学与工程2020级博士研究生王淑雪同学为论文第一作者，该研究获得英国剑桥大学，中国海洋大学化学化工学院、海洋生命学院多位合作导师的协助。
图1.粘附凝胶的互穿网络结构、水下粘附、机械强度、自愈合和荧光特性的示意图
在水和海洋环境中，粘合剂对水下密封、潜水可穿戴设备、水下机器人、水基能源设备、生物电子学和古代陶瓷修复等特定应用是不可或缺的。基于氰基丙烯酸酯、环氧树脂和聚氨酯的传统粘合剂在干燥环境中具有高粘合强度。但是在水下和潮湿的环境中，粘合剂和潮湿表面之间的水化层削弱了界面相互作用，导致粘合剂粘合失效。粘合剂的溶胀和消溶胀行为会导致结构变形和机械性能变差，最终导致粘合失效。此外，表面波浪的冲击力有时很强，会导致粘合剂表面形成轻微的物理损伤（即裂纹、断裂和崩解），这些结构缺陷的逐渐扩大也会导致粘合失效。
为了解决以上问题，王淑雪同学在其前期研究（Adv. Funct. Mater.2022, 32, 2201919）的基础上，首先探究了芳香环对水下粘附的增强机制，合成了P4-IL0.6聚合物，制备了水下粘附离子凝胶。含芳香环侧链聚合物的合成增强了材料内部及其表面的 π−π共轭和 π−ion相互作用。离子结构单元的共聚和氟化配体离子产生了各种界面桥联机制，排斥界面水并增强了整体结构，进一步提高了粘合强度和内聚强度。交联3D网络的设计为离子凝胶基粘合剂提供了良好的机械性能、抗膨胀特性和自修复能力。附着力、内聚力和固化时间的协同优化，在各种湿基材上实现了自给自足的水下附着力（即瞬间、强力、持久、可重复、耐盐、抗变形、自修复和持久的性能），达到8.91 MPa的高水下粘合强度。此外，共聚物上的芳香侧基赋予离子凝胶水下可见荧光，在水下标记、信号传输和信息加密方面表现出巨大的前景。
图2.（a）离子凝胶的制备（b）粘附在水中玻璃表面上的离子凝胶的数码照片和横截面 SEM 图像（c）水接触角测量（d）界面相互作用和水化层去除的示意图（f）水下粘附强度总结和（g）离子凝胶在不同盐水中的数码照片（h）长期水下粘附特性（i）商业粘合剂和Ionogel-3的水下粘合强度总结（j）报道的水下粘合剂和Ionogel-3的雷达图
基于性能最优的聚合物P4-IL0.6和离子液体[BVIM][TFSI]在紫外光的照射下制备了胶带型粘附凝胶。离子凝胶中芳香环、离子基团和氟化配体离子产生的多功能非共价和共价相互作用，其固有疏水性排斥界面水以及构建的半互穿网络结构辅助粘合剂在各种材料表面和不同水环境下实现即时、牢固、耐用、可逆、抗膨胀和持久的水下粘附，达到8.91 MPa的高水下粘合强度。
图3.（a）离子凝胶的荧光光谱（b）基于离子凝胶的水下密封和标签的图示（c）基于Ionogel-3的标记在不同水条件下的荧光（d）基于Ionogel-3的二维码在水中的荧光、编码和信息翻译
芳香环的π−π共轭结构导致水下粘合剂具有独特的荧光，离子凝胶的抗溶胀、自修复以及持久的水下粘附性能赋予了所制备的水下标签在深水环境中数据加密和信号传输方面的独特应用。
文/图：徐晓峰
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202306814
