深海突破！ 科學家研發水下黏合劑，在水下黏合24小時之後，黏附能力提升5倍

新材料的發展，是當今世界各國的共同目標。 同時，人類對於海洋作業、以及深水作業的需求也在與日俱增，因此發展高性能的水下黏合劑材料勢在必行。

水下黏合劑材料在海洋作業中扮演著重要的角色，用於連接、密封、修復和保護各種設備、結構和管道。 它們確保了船舶、海洋平台和海洋設備的穩定性、耐久性和安全性，同時提供防水、防腐和抗生物附著的功能。 膠合劑的應用促進了海洋工程和深海研究的進行，確保了海洋作業的可靠性和持久性。

它們為連接、密封、修復和保護提供了可靠的解決方案，確保了海洋設備和結構的可靠性、耐久性和安全性。 膠合劑的應用推動了海洋工程和深海研究的進行，為海洋產業的發展和永續性做出重要貢獻。

以下是一些常見的應用場景：

• 船舶和海洋平台維修：用於修復船體和平台的損傷，如填補裂縫、黏接金屬板材、修復碰撞造成的損壞等。
• 管道和管道系統：在海洋作業中，管道和管道系統用於輸送水、石油、天然氣等物質。 膠水可用於連接管道和管件，確保密封性和結構強度。
• 深水潛水器和遙控機器人：用於固定和安裝感測器、攝影機、機械手臂等設備，以及修復這些設備的損壞。

• 海洋探测仪器和传感器：用于安装和固定各种海洋探测仪器和传感器，如声纳、水下摄像头、气象设备等。它可以确保这些设备在海洋环境中的稳定运行。
• 海洋建筑和海底设施：在海洋工程中，胶水可以用于连接和固定各种构件和结构，如海底管道、海洋风电基础、海底油气设施等。
• 海洋科研设备：在海洋科研中，胶水用于固定和安装各种科研设备，如水下观测器、采样器具、浮标等。这些设备需要牢固地固定在海洋环境中以进行数据收集和监测。
• 海洋电缆和连接器：海洋电缆用于传输数据和能源，连接器用于连接不同部分的电缆。胶水可用于固定电缆和连接器，确保稳定的电气连接并提供防水密封。

對於目前的深水下黏合劑來說，大多需要利用熱固化、光固化或外力等手段來實現穩定的黏附，導致其實際應用能力比較有限。 因此，發展無需外力的水下自動黏合劑具有重要意義。

一般來講，材料的性質和性能，取決於內部分子間多體作用的複雜性。 所以，從分子層次深入理解材料的作用機理，進而實現其性質與性能的調控，是發展高性能新材料的必經之路。

在近期一項工作中，中國科學院長春應用化學研究所研究員段曉徵團隊，攜手香港中文大學（深圳）張祺教授團隊，採用「新演算法發展-高通量模擬-科學實驗」相結合的數智化 交叉研究範式，針對目標材料進行了一番探索。

研究中：

一方面他們發展了適合研究材料體系的新型模擬演算法與模型，並利用這些演算法針對水下黏合劑材料的性質與性能，進行高通量的模擬研究。

另一方面，他們針對這類材料進行了深入、細緻、全面的實驗，並將模擬結果與實驗結果不斷比對、驗證，藉此深入理解材料宏觀性質、性能、及其所對應的微觀機理， 直至發展出令人滿意的新型材料。

透過不斷地摸索，他們發展出一種「離子液體/高分子」型水下黏合劑，這是一種無需外力的高性能新型黏合劑。 當它在水下黏接 24 小時之後，黏附能力反而能夠提升 5 倍以上。

透過此，他們成功突破了傳統水下黏附材料將水視為不利因素的固有觀念，在水分子的幫助之下驅動了材料界面的生長和融合。

這類新材料可望為水下工程等領域的發展做出重要貢獻，例如能用於以「回歸自然」為主題的水下工程場景。

同時，研究中所建立的「離子液體/高分子」高性能水下黏合劑理論模型，以及針對這類黏合劑材料工作機制的深入理解，也能為設計更多的新型特種膠黏劑帶來 啟示。

據介紹，這是一項科學實驗與高通量模擬的合作型研究。 於實驗而言，主要是從宏觀屬性來推測微觀機制；於模擬而言，主要是透過新演算法從微觀機制理解宏觀性能。

當雙方確立課題之後，便開始發揮各自的專長。 經過幾次嘗試和溝通之後，他們確定了材料建造方案及其工作機制。

為了找到更多的佐證，合作雙方各自做了更詳細的表徵和分析。 隨後，他們開始撰寫論文並投稿。

最終，相關論文以《水誘導的界面重排驅動的水下自動黏附》（Autonomous underwater adhesion driven by water-induced interfacial rearrangement）為題髮在 Nature Communications[1]。

香港中文大學（深圳）理工學院博士生姚樂是第一作者，中國科學院長春季應用化學研究所段曉徵研究員和香港中文大學（深圳）張祺教授擔任共同通訊作者。

段曉徵表示：“我們雙方可謂是老搭檔，但卻一直通過互聯網交流。直到論文發表之後，我們才實現了第一次線下見面。”

另據悉，在本篇論文發表之前，段曉徵在各類學術會議、以及與同行的交流中，不只一次發現許多科研團隊或企業都在嘗試發展這類水下黏合劑材料。

那些尚未開始發展該類材料的科學研究團隊或企業，也對這類材料表現出濃厚興趣。 「這讓我們的信心更加堅定，幹勁也更足。因此我們非常希望這類材料的發展，能為更多領域帶來幫助。」段曉徵表示。

同時，他也希望面向國家政策、以及地方及區域發展需求，針對現有材料進行產業化探索，試圖實現學術成果的高品質落地與轉化。

據介紹，段曉徵研究小組成立於 2018 年，主要致力於能源、材料體系的前沿理論與模擬研究。

在過去，他和團隊將理論物理與模擬進行創新性結合，發展了適用於研究能源、材料體系「多體作用」新型低標度分子動力學和 Monte Carlo 模擬演算法以及一系列衍生演算法。

進而利用這些演算法，團隊針對先進能源、材料等領域，進行了高通量模擬研究，發展了一系列新能源、新材料體系的製備方案與構效調控策略，為相關實驗研究、以及產業發展 提供了理論支持。

目前，段曉徵和團隊已在Nature Communications、JACS、Angewandte Chemie International Edition、Joule、Advanced Functional Materials、ACS Catalysis、Macromolecules、CCS Chemistry 等期刊發表論文70 餘篇，承擔國家自然科學基金項目、中科院項目及地方項目 共二十餘項。

科學研究人員的深入研究和不斷創新對於推動科技進步和社會發展至關重要。 在深海方面，科學研究人員深入研究新材料的開發和應用可以幫助我們更好地探索和利用海洋資源，實現海洋科學研究、海洋工程和海洋保護的突破。

新材料具有廣泛的應用前景，可以應用於各個行業和領域，為各種問題和挑戰提供解決方案。 透過深入研究與創新，期待科學研究人員開發更具性能優越、環保且永續的新材料，推動產業轉型升級，促進經濟社會永續發展。