粘结剂是通过界面的粘附和自身的内聚等作用使两种材料连接在一起的物质，并同时承受这些材料在使用过程中所承受的应力。粘结剂有着悠久的使用历史，从早期的天然材料到近代的合成高分子。在粘结剂的长期使用过程中，由环境因素（水、氧、热、光和应力等）引起的粘附性能下降在所难免，由此产生的粘附失效可能会造成严重的后果。因此，对粘结剂的粘附状态的实时监测是保障其安全使用的关键。近日，华中科技大学化学与化工学院朱锦涛、张连斌教授团队发展了基于机械力响应性光子晶体复合物的智能结构色粘结剂（Structurally-colored adhesives），将粘结剂使用、服役过程中的形变过程和结构色传感技术相结合，实现了粘附性能的实时监测和粘附失效的早期预警。
粘结剂的失效行为往往伴随着其结构的改变。自然界中，一些动物可将结构形变转化为可视化的颜色信号。例如，变色龙可以通过拉伸或收缩皮肤下反射特定波长光的鸟嘌呤晶体来改变皮肤颜色，这种颜色称为结构色。受此启发，作者将一维光子纳米链引入到聚合物粘附基质材料中，制备了具有结构色的粘结剂。在本工作中，作者将碳包覆的磁性四氧化三铁胶体粒子(Fe3O4@C)在聚乙二醇甲醚丙烯酸酯（PEGA）和N-羟乙基丙烯酰胺（HEAA）的单体中分散，由磁场诱导组装成的一维（1D）光子纳米链，并在紫外光固化后得到具有结构色的粘结剂（图1a）。得益于Fe3O4@C胶体粒子的高折射率以及1D有序结构，仅需少量的胶体粒子（0.3 wt%）即可赋予粘结剂鲜艳的结构色。结构色粘结剂可以对几乎所有与粘合状态相关的变形（如压缩、拉伸和剪切）做出及时响应，即产生显著的颜色变化。特别的是，该工作揭示了光子纳米链在剪切应变下变色机制。在剪切载荷作用下，剪切应力驱动嵌入粘结剂聚合物基质中的光子纳米链发生倾斜，进而改变了入射光与晶面的夹角并产生结构色的变化（图1h）。作者通过优化单体比例制备了两种典型的粘合剂：结构色压敏胶和结构胶，展示了结构色粘结剂在粘附状态可视化监测领域的应用。粘附失效可分为界面失效、内聚失效和混合失效。界面失效发生在基材与粘结剂的界面处，内聚失效主要发生在粘结剂材料内部，二者皆有则称为混合失效。由于界面失效较少涉及化学键的断裂，因此，基于机械力化学的方法往往难以实现对界面失效的有效检测。粘结剂脱粘区域由于不受载荷作用，因此具有不同于粘附区域的应力和应变。而每个光子纳米链都可作为一个独立的“传感像素”来揭示局部应变的变化，因此通过局部的颜色分布不同即可判断粘结剂的粘附区域和脱粘区域（图2f）。基于此，作者制备了结构色压敏胶，具有快速响应（<60 ms）和高分辨率（~120 μm）的特点，可通过精确识别不同颜色区域的面积追踪界面失效过程中的空隙扩展过程，从而实现界面失效的早期预警（图2h）。
结构胶多用于材料的永久粘接、加固和修补等。在结构胶的长期服役中，环境因素（水、氧、热、光和应力等）是引起结构胶性能下降的重要原因。例如，高温会引起结构胶的软化和内聚能的下降并引发内聚失效。在载荷作用下，结构胶内聚失效初期往往伴随着蠕变形变且不易察觉，尤其是在远距离上。作者通过光子纳米链在结构胶剪切蠕变形变过程中的倾斜实现了对内聚失效初期微小形变的可视化。例如，搭接剪切接头1.5 mm的剪切位移即可引起结构胶层由蓝绿色变为黄色，对应于~100 nm的反射波长的红移（图3b）。结构色粘结剂的力致变色效应实现了对微小形变的“放大”，可以帮助使用者裸眼或借助光学设备发现和检测粘结剂的粘附状态。此外，借助计算机视觉和机器学习技术，实现了对结构胶内聚失效的早期预警（图4）。
图4 计算机视觉结合机器学习实现内聚失效的早期预警该工作利用聚合物复合光子晶体材料的力致变色效应，制备了具有粘附状态自监测能力的结构色粘结剂。相较于现有粘附性能的检测手段，在便捷性、非侵入性、用户友好性和低成本方面具有显著优势。该工作以“Structurally-colored adhesives for sensitive, high-resolution, and non-invasive adhesion self-monitoring”为题发表在《Nature Communications》上（Nat Commun 2024, 15, 8419）。文章的通讯作者是张连斌教授和朱锦涛教授，第一作者是华中科技大学博士生吕全乾。该研究受到国家自然科学基金的资助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52794-5
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