水通常被视为一种润滑剂，因为它能分隔两个固体表面之间的接触面，从而减弱分子间作用力。事实上，由于范德华相互作用的有效范围<0.6 nm，所以只要有几层水分子 (~1 nm)隔开界面，固体表面之间的范德华力就会被削弱。再加上固体表面通常是凹凸不平且粗糙的，预计平均间隙会更高涂料在线coatingol.com。正因如此，水下可逆粘接一直是一个重大的挑战。

在各种医疗和工业应用中，需要水下粘接的场合十分常见，例如医疗贴片、组织工程以及水下软机器人等。目前已报道的水下粘接策略主要是界面疏水设计、直接化学键合以及利用强韧水凝胶中的动态键。这些解决方案限制了粘接表面的多样性，并且存在耐用性低、易溶胀的缺点。

在自然界中，一些水生动物，如章鱼（图1A）、喉盘鱼和鮣鱼能利用吸盘附着在物体表面以进行运动。受大自然的启发，人们设计出一些吸盘结构用于水下应用。已报道的水下吸盘的附着应力可高达1 MPa，数量级高于干式吸盘的附着强度极限0.1 MPa（大气压）。这说明吸盘在水中具有比在空气中更强大的附着机理。然而目前的研究都未能揭示水下吸盘附着和分离的机理。

鉴于此，莱布尼兹新材料研究所René Hensel团队采用双光子光刻技术制备了微型吸盘，再结合原位压力传感器和观察相机，分析了吸盘在水下附着/分离的详细性质，揭示了吸盘在水下附着过程中的流体动力学，确定了吸盘在水下分离过程中的三种不同的脱离机制。该机制为水下运输和水下机器人技术的发展带来了灵感。该研究以题为“Water as a “glue”: Elasticity-enhanced wet attachment of biomimetic microcup structures”的论文发表在最新一期《Science Advances》上。

【范德华力对吸盘的作用】

作者采用双光子光刻和亚毫米级成型工艺制备了由根茎和锥形唇部组成的聚氨酯微型吸盘（图1B）。吸盘被倒置并压在双面抛光的硅晶片基板上（图1C）。对于一些衬底，在晶片上蚀刻出方孔。该方孔允许在吸盘脱离期间内部流体（空气或水）流动。吸盘被一定的预紧力压在有孔和没有孔的基板上，然后以一定的速度被拉脱（图1D）。

空气中吸盘的测试结果表明，在空气中，带孔和不带孔的基板的拉脱应力相似，这意味着抽吸压力起次要作用。此外，脱离应力是大气压 (~100 kPa) 的两倍多，这说明范德华力在干燥条件下在微尺度附着过程中占主导地位。

而水下吸盘的结果刚好相反。对于不能产生吸力的带有孔的基板，附着力可以忽略不计，而对于没有孔的基板，附着强度超过1 MPa（大气压的10倍）。而当微孔被堵塞，附着应力又会增加两个数量级。这说明在存在孔的情况下，唇部和基板之间的范德华力对附着没有贡献。而在没有孔的情况下，水的存在所维持的静液压有助于附着。

为了确定范德华力的任何贡献，我们需要在原位回缩期间独立测量杯子内部的吸入压力。我们通过开发一种内置于基板的压力传感器来进行这种压力测量。

图1. 微型吸盘的生物灵感及其在水下粘接中的应用。

【水下吸盘强附着机理】

在实验结果的基础上，作者提出了水下吸盘强附着的机理：在吸盘被拉脱的过程中，吸力会在吸盘空腔内部以及唇部和基板之间产生。吸力将唇部拉向基板，并减少它们之间的间隙，从而减少水流进入杯子。这种“自密封”的机制进一步导致吸力的增加，直到吸盘和基板分离。作者建立了数学模型来描述这一过程，模型的预测结果与实验结果一致。（图2）

图2. 内置微型压力传感器的拉断实验。

【水下吸盘分离机理】

作者通过实验总结出了水下吸盘的三种分离模式（图3）。一，当唇部宽度较小或拉脱速度较低时，会发生一种强度很弱的分离模式（模式 I）。唇部不会被拉向基板，也不会产生吸力，分离力可以忽略不计（图3A）。二，随着唇部宽度和拉脱速度的增加，唇部与基板接合，并产生吸力。随着拉脱速度的增加，当唇部上的吸力无法平衡连接处的拉脱力时，吸盘就会脱离（模式 II；图3B）。如图3Bi所示，唇部吸力的增加率在拉脱的早期阶段超过了拉脱力的速度，唇部被吸向基板。随着进一步加载，拉脱力逐渐平衡然后超过吸力，最后吸盘分离。三，在模式III中，唇部上的吸力始终超过拉脱力，当唇部因切向压缩而发生屈曲脱离平面时，吸盘会发生突然的脱离（模式 III；图3C）。这是因为唇部的屈曲导致唇缘形成径向通道，允许液体从外部流动，从而破坏了吸力。作者使用有限元分析通过实验和计算相结合，测试了模式 III 的可能性。模拟结果中唇部发生的屈曲变形与实验结果一致。（图4）

图3. 三种脱离模式及其与理论预测的比较。

图4. 回缩过程中的屈曲失效机制。

【小结】

该工作解释了可变形微型吸盘附着的详细机制。在水下，水确实可以充当两个吸盘和基板之间的粘接剂。作者通过实验、理论分析和有限元模拟得出以下结论：

1) 在潮湿的环境中，可以通过吸盘与基板之间存在的水来实现两个表面之间的牢固附着。该水下吸盘的附着强度远高于大气压，并且比干燥条件下的强度高出大约一个数量级。

2) 可变形微型吸盘的水下附着与在空气中的附着在本质上是不同的。后者主要受范德华力控制，而前者依赖于几何、弹性、拉脱速度和流体动力学之间的复杂相互作用。

3) 在现实条件下，水下附着强度受限于吸盘/根茎结构的弹性特性，而不是水的固有空腔作用特性。通过选择合适的材料参数来延迟吸盘唇部发生屈曲，可进一步提高附着强度。