通过纳米级异质性调控薄聚合物膜的界面粘附

为何微小颗粒会影响粘性材料

粘合剂无处不在，从创可贴与柔性电子到保护涂层和软体机器人。然而，要制造一种既能适度粘附、又能干净撕离并可针对不同对象调节的材料，实际上并不容易。本研究表明，在软橡胶状材料内部撒入微小的固体颗粒，可为工程师提供一种新的调节方式来控制两个表面之间的粘合强度，甚至决定它们更倾向于与“相似”还是“不同”对象粘在一起。

柔性薄膜与隐匿的颗粒

研究者使用了一种常见的软材料PDMS，这是一种用于从医疗器械到微流控芯片的硅橡胶。他们制备了纯PDMS薄膜以及在其中混入非常小的二氧化硅颗粒的薄膜，这些颗粒的尺寸比沙粒小数千倍。颗粒经过处理以便能与橡胶良好混合。通过改变加入颗粒的数量，他们能够在不改变裸眼可见表面平滑度的前提下，制造出具有不同内部“斑点”程度的薄膜。

观察裂缝在粘连层间蔓延

为了测量两层薄膜的粘合程度，团队使用了一个简单但有效的测试。两层薄膜被压在一起，一条非常薄的玻璃条充当楔子，在一侧撬开一个小缝隙。当压合力释放后，裂缝开始在两层之间扩展，慢慢将它们撕开。在显微镜下，科学家们追踪裂缝随时间的推进距离和速度。根据这一运动，他们可以计算出伸长的薄膜中储存了多少能量，以及维持裂缝移动或使其停止所需的能量。

相同与不同：选择性粘附

本工作的新意在于比较内部结构相同或不同的薄膜对。对“相同”配对，两层薄膜具有相同的纳米颗粒含量。对“不同”配对，一侧为纯PDMS，另一侧含有颗粒。当两侧的斑点程度相同时，增加更多纳米颗粒会使薄膜互相粘得更牢固。裂缝需要走得更远并在停止前显著减速，这意味着拉开层间所需的能量更大。但当只有一侧含有颗粒时，情况则相反。界面变得不那么相容，裂缝更容易移动，总体粘结强度相比两侧均为纯PDMS时降低。

隐匿结构如何重塑能量与应力分布

通过对薄膜单独拉伸，团队证明了加入纳米颗粒会使橡胶变得更硬。在材料内部，颗粒压迫聚合物链，使其活动空间变小，从而更有效地承担载荷。在生长的裂缝附近，这会产生在极小尺度上刚度和表面能的空间变化。这些变化改变了裂尖处应力的集中方式以及裂缝前进时的能量释放方式。当两侧具有相同的内部结构时，这些效应共同阻碍裂缝扩展；而当仅有一侧有斑点时，刚度和内部结构的不平衡则促使体系更容易分离。

对未来智能粘合剂的含义

简而言之，这项研究表明，隐藏在软材料内部的微小颗粒可以作为调节粘性的一枚秘密旋钮。通过选择添加颗粒的数量以及颗粒出现在单侧还是双侧，工程师可以设计出对匹配表面强力抓取而对不匹配表面易于释放的接头。这种对“谁与谁粘在一起”的控制能力，可用于开发更智能的涂层、可重复使用的胶带、可拆卸的软性器件，以及在需要时坚固但可拆卸的分层材料。

引用: Majhi, C., Gupta, S., Singh, M.K. et al. Engineering interfacial adhesion of thin polymer films via nanoscale heterogeneity. npj Soft Matter 2, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00024-x

关键词: 聚合物粘附, 纳米颗粒, PDMS, 界面力学, 软材料