当两个物体接触后，需要克服它们之间的粘附作用才能将其分开，分离过程中所需要的临界力这也被称为分离力或脱粘力。对于薄膜材料而言，粘附作用引起的分离力十分重要，这是因为薄膜具有较高的柔性和较大的比表面积。其实，薄膜体系在自然界和工程应用中的功能实现与对其分离力的有效控制密切相关。相关场景包括：在用胶带封闭伤口、薄膜基柔性电子器件的生产、在微机电系统中防止粘连，或者在细胞吸收靶向纳米药物颗粒等，薄膜的粘附作用或分离力都起着至关重要的作用。得益于高精度仪器的快速发展，人们可以轻易的测量从微米到亚纳米级厚度（包括高分子膜、细胞膜、原子层等）薄膜的分离力都，但目前缺乏对薄膜体系粘附力学和接触力学的理论理解，导致现有实验难以根据测量的分离力来解读背后物理参数。
近期，北京大学工学院戴兆贺研究员团队及其合作者通过研究微球从最薄的薄膜-石墨烯进行分离的过程，发现随着薄膜张力的增大，所需要的分离力也会增加（图1）。这一现象与日常生活感知和宏观薄膜粘附分离力测试结果相矛盾（图2）。具体而言，生活经验可能会让我们错误的感知手指更容易与张紧的胶带分离，而针对宏观PDMS薄膜的测试表面分离力并不依赖于薄膜张力。
图1. 对拉伸石墨烯进行分离力测量，揭示了微观尺度上，分离力的薄膜张力依赖性。
图2. 宏观黏附测试表明分离力不具有薄膜张力依赖性为理解这一宏、微观不一致的粘附现象，团队建立了针对膜和板的宏观和微观粘附力学模型（图3）。结果表明，宏观理论中的球与薄膜分离力是πγRs，γ是每单位面积的界面能，Rs是球的半径，该结果与薄膜的尺寸、模量及所受张力等均无关。而微观理论则考虑了宏观理论忽略的长程作用力，表明薄膜越硬或张力越大，其粘附行为越接近刚体极限，分离力为宏观理论预测的两倍。
图3. 弹性纳米薄膜中“越硬越粘”行为的物理机制。本文进一步提出了一个无量纲转变参数λ（具体见原文公式5），成功的链接了宏、微观描述下薄膜粘附理论体系。当λ较小时，系统行为更微观，分离力为2πγRs；当λ较大时，行为更宏观，分离力为πγRs。实验表明，张力或模量的增加使得λ减小，导致行为更微观，分离力增大，从而解释了“越硬越粘”的现象（图4）。
这项工作为理解其他薄膜材料或更为广义的细长材料和结构的粘附行为提供了一个更为通用的理论框架。该工作以“Stiffer is stickier: Adhesion in elastic nanofilms”为题发表在《Nano Letters》上。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05309?articleRef=control
点击下方“阅读原文”可下载该篇论文。
相关进展
西安交大成一龙教授团队 Adv. Mater.：一种用于快速止血、加速组织损伤愈合和生物电子学的高湿组织粘附性抗溶胀水凝胶
华南理工大学马春风教授 Adv. Mater.：自适应两性离子基聚硅氮烷广谱抗粘附涂层
北京化工大学徐福建教授团队 AM：可适应强湿粘附水凝胶用于长期保护牙周炎伤口
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[email protected]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
