小黃鴨憑啥登《Nature》？超-強(qiáng)粘合水凝膠的秘密，藏在低場(chǎng)核磁里

一只普通的小黃鴨，竟然登上了全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Nature》的封面？

8 月 6 日，北海道大學(xué)龔劍萍、深圳大學(xué)范海龍、蘇州實(shí)驗(yàn)室李偉合作在《Nature》上發(fā)表題為《Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels》的研究論文，成功開發(fā)出一款具有卓-越黏著性能的水凝膠（hydrogel）。《Nature》的封面上，波濤洶涌的海邊，這只橡膠小黃鴨牢牢粘在巖石上，任憑海浪拍打也紋絲不動(dòng) —— 它靠的不是普通膠水，而是人工智能設(shè)計(jì)的水下超-強(qiáng)粘合水凝膠，其粘合強(qiáng)度超 1 兆帕（相當(dāng)于 10 個(gè)大氣壓），是傳統(tǒng)水下粘合材料的十倍以上。

隨著超-強(qiáng)粘合水凝膠在醫(yī)療敷料、電子封裝、柔性機(jī)器人等領(lǐng)域成為關(guān)鍵材料，不少人疑惑：它為什么能有這么強(qiáng)的粘附力？其實(shí)，這一性能并非由單一因素決定，而是與材料內(nèi)部分子鏈段的結(jié)構(gòu)、比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。過(guò)去，由于檢測(cè)技術(shù)局限，行業(yè)難以精準(zhǔn)解析分子層面關(guān)鍵信息，導(dǎo)致配方優(yōu)化效率低下；如今，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的出現(xiàn)，為揭開其高粘附力 “秘密” 提供了突破性解決方案。

一、超-強(qiáng)粘合水凝膠的粘附力，由分子鏈段 “軟硬平衡” 決定

理解其強(qiáng)粘附力，先看內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)：水凝膠分子鏈段分硬段（交聯(lián)段）和軟段（非交聯(lián)段），二者比例與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直接決定粘附性能與實(shí)用強(qiáng)度。

硬段：定內(nèi)聚力，防 “自斷”

硬段是交聯(lián)形成的剛性部分，像 “骨架” 般提供內(nèi)聚力。比例過(guò)低，水凝膠易在粘附時(shí)斷裂；過(guò)高則材料變硬脆，難貼合不規(guī)則表面，反而降粘附效果。

軟段：主粘附力，促 “貼合”

軟段是未交聯(lián)的柔性部分，是粘附力核心。柔性越強(qiáng)、比例越優(yōu)，水凝膠越易潤(rùn)濕被粘表面（皮膚、金屬等），通過(guò)范德華力、氫鍵實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。但軟段并非越多越好：過(guò)多易蠕變、降強(qiáng)度，過(guò)少則難潤(rùn)濕、弱粘附。

可見(jiàn)，超-強(qiáng)粘合水凝膠的高粘附力，本質(zhì)是硬段與軟段 “軟硬平衡” 的結(jié)果 —— 軟段保貼合，硬段保穩(wěn)定。但如何精準(zhǔn)檢測(cè)二者比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？過(guò)去的傳統(tǒng)方法始終有局限。

二、檢測(cè)方法的局限：無(wú)法精準(zhǔn)解析 “軟硬平衡”，配方優(yōu)化如 “盲人摸象”

低場(chǎng)核磁技術(shù)應(yīng)用前，行業(yè)主要靠溶脹法和熱分析法（TGA、DSC）評(píng)估水凝膠性能，但二者缺陷明顯，難捕捉 “軟硬段平衡” 信息，導(dǎo)致配方優(yōu)化低效。

溶脹法：精度低、缺關(guān)鍵信息

通過(guò)溶劑浸泡測(cè)溶脹度推測(cè)交聯(lián)密度（硬段指標(biāo)），但受溫度、溶劑濃度等影響，結(jié)果重復(fù)性差；且只能粗略判斷交聯(lián)度，無(wú)法區(qū)分軟硬段比例與分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，難給配方調(diào)整提供方向。

熱分析法：耗時(shí)久、難直接定位問(wèn)題

需復(fù)雜升降溫程序，單次測(cè)試數(shù)小時(shí)，不滿足產(chǎn)線快速檢測(cè)需求；且只能通過(guò)溫度數(shù)據(jù)間接反推性能，無(wú)法直接獲取分子鏈段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研發(fā)人員難定位粘附力不足的原因 —— 是軟段比例不夠？還是運(yùn)動(dòng)性差？如同 “盲人摸象”。

傳統(tǒng)方法的缺陷，長(zhǎng)期制約高粘附力水凝膠的研發(fā)效率，直到低場(chǎng)核磁共振技術(shù)出現(xiàn)，這一困境才被打破。

三、低場(chǎng)核磁共振技術(shù)：一分鐘揭秘分子鏈段狀態(tài)，直接關(guān)聯(lián)粘附力

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)之所以能成為解析超-強(qiáng)粘合水凝膠的 “利器”，核心在于其無(wú)損、快速、定量的優(yōu)勢(shì) —— 無(wú)需破壞樣品，1 分鐘內(nèi)即可完成測(cè)試，且能直接獲取硬段、軟段及中間相的比例與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，從分子層面揭示 “粘附力強(qiáng)” 的本質(zhì)。

1、技術(shù)原理：通過(guò) “氫質(zhì)子弛豫” 區(qū)分軟硬段

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的核心邏輯，是基于水凝膠分子鏈中氫質(zhì)子的弛豫行為差異，來(lái)區(qū)分硬段與軟段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

激發(fā)：通過(guò)脈沖磁場(chǎng)擾動(dòng)水凝膠中的氫質(zhì)子，使其自旋方向偏離平衡態(tài)；

弛豫：停止脈沖后，氫質(zhì)子會(huì)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)，這一過(guò)程稱為 “弛豫”。其中，硬段因分子運(yùn)動(dòng)受限（剛性強(qiáng)），氫質(zhì)子恢復(fù)速度快，對(duì)應(yīng)的 “T2 弛豫時(shí)間” 短；軟段因分子運(yùn)動(dòng)自由（柔性強(qiáng)），氫質(zhì)子恢復(fù)速度慢，對(duì)應(yīng)的 “T2 弛豫時(shí)間” 長(zhǎng)；

2、直接關(guān)聯(lián)粘附力：軟段指標(biāo)是 “關(guān)鍵信號(hào)”

通過(guò)低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，研發(fā)人員能直接將分子鏈段數(shù)據(jù)與粘附性能掛鉤，快速判斷 “超-強(qiáng)粘合水凝膠為什么能粘附力那么強(qiáng)”：

若測(cè)試結(jié)果顯示，水凝膠的軟段 T2 弛豫時(shí)間高、軟段占比合理（通常軟段占比需結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整，如醫(yī)療敷料需兼顧柔性與強(qiáng)度），則說(shuō)明軟段的柔性與潤(rùn)濕性優(yōu)異，能與被粘表面形成強(qiáng)分子間作用力，粘附力自然更強(qiáng)。

若軟段 T2 值低（運(yùn)動(dòng)性差）或占比不足，則可直接判斷 “粘附力不足” 的原因是軟段性能不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而針對(duì)性調(diào)整配方（如增加軟段單體比例、優(yōu)化交聯(lián)度）；

若軟段占比過(guò)高、硬段不足，則可通過(guò)補(bǔ)充硬段單體，避免水凝膠蠕變，保證實(shí)用粘附強(qiáng)度。

3、技術(shù)優(yōu)勢(shì)：解決傳統(tǒng)方法的所有痛點(diǎn)

無(wú)損檢測(cè)：無(wú)需切割、溶解樣品，尤其適合珍貴的研發(fā)樣品或成品檢測(cè)；

超快速：1 分鐘內(nèi)完成測(cè)試，遠(yuǎn)超熱分析法 “數(shù)小時(shí)” 的耗時(shí)，可滿足產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控與研發(fā)快速迭代需求；

定量精準(zhǔn)：直接輸出硬段、軟段比例及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)需間接推測(cè)

回到最初的問(wèn)題 ——“超-強(qiáng)粘合水凝膠為什么能粘附力那么強(qiáng)？” 答案其實(shí)很明確：是材料內(nèi)部硬段與軟段的 “軟硬平衡”，尤其是軟段的優(yōu)異潤(rùn)濕性與合理占比，共同造就了高粘附力。而低場(chǎng)核磁共振技術(shù)的出現(xiàn)，讓這一 “分子層面的平衡” 從 “看不見(jiàn)、摸不著” 變?yōu)?“可量化、可調(diào)控”，徹-底改變了行業(yè)過(guò)去依賴經(jīng)驗(yàn)、效率低下的研發(fā)模式。

實(shí)驗(yàn)案例：低場(chǎng)核磁技術(shù)測(cè)試不同熟化時(shí)間的psa壓膠的軟硬段

→硬段弛豫時(shí)間、硬段比例變化不大，內(nèi)聚力差異不大，說(shuō)明殘膠有可能是粘附力失控造成的

→軟段弛豫時(shí)間隨著熟化時(shí)間增加，T2時(shí)間變短，軟段變硬，粘性變?nèi)?/span>

→軟段弛豫時(shí)間滿足1.5ms<T23<2ms范圍內(nèi)，psa膠能滿足粘性條件且無(wú)殘膠問(wèn)題。