电粘附预示着新的植入物和机器人技术

一项新的研究发现，对软材料（例如一片生番茄或鸡肉）通电几秒钟，可以将其牢固地粘合到硬物体（例如石墨板）上，而无需任何胶带或胶水。 马里兰大学的科学家表示，这种意想不到的效果也是可逆的——改变电流方向通常很容易分离材料。 这种甚至可以在水下工作的“电粘附”的潜在应用可能包括改进 生物医学 植入物和仿生机器人。

马里兰大学化学和生物分子工程教授斯里尼瓦萨·拉加万 (Srinivasa Raghavan) 表示：“令人惊讶的是，这种效应没有更早被发现。” “自从我们有了电池以来，这是一个几乎可以实现的发现。”

在自然界中，活组织等软材料通常与骨骼等硬物体粘合。 先前的研究探索了实现这一壮举的化学方法，例如使用模仿如何实现这一点的胶水 贻贝粘在岩石和船上。 然而，这些债券通常是不可逆转的。

他们尝试了多种不同的软质材料，如番茄、苹果、牛肉、鸡肉、猪肉和明胶……

此前，Raghavan 和他的同事发现 电可以使凝胶粘附在生物组织上，这一发现有一天可能会带来有助于修复伤口的凝胶贴片。 在这项新研究中，他们不是将两种软材料粘合在一起，而是探索电力是否可以使软材料粘附到硬物体上。

科学家们从一对 石墨 电极（由阳极和阴极组成）和 丙烯酰胺 凝胶。 他们在凝胶上施加五伏电压三分钟。 令人惊讶的是，他们发现凝胶牢固地粘合在石墨阳极上。 尝试将凝胶和电极拧开通常会破坏凝胶，将其碎片留在电极上。 电压移除后，这种结合显然可以无限期地持续，研究人员将凝胶和电极的样品粘在一起数月。

然而，当研究人员改变电流的极性时，丙烯酰胺凝胶从阳极上脱落。 相反，它粘附在另一个电极上。

拉加万和他的同事通过多种不同的方式对这种新发现的电粘附效应进行了实验。 他们尝试了多种不同的软材料，如番茄、苹果、牛肉、鸡肉、猪肉和明胶，以及不同的电极，如铜、铅、锡、镍、铁、锌和钛。 他们还改变了电压的强度和施加的时间。

研究人员发现，软材料中的盐含量对电粘附效应起着很大的作用。 盐使软材料导电，高浓度的盐可能导致凝胶在几秒钟内粘附到电极上。

“令人惊讶的是，这种效应如此简单，而且可能如此广泛”

科学家们还发现，铜、铅和锡等更善于释放电子的金属，其电粘附性也更好。 相反，镍、铁、锌和钛等牢牢保留电子的金属表现不佳。

这些发现表明，电粘附是由电极和软材料之间交换电子后的化学键产生的。 根据硬材料和软材料的性质，粘附发生在阳极、阴极、两个电极或两者都不发生。 提高电压强度和施加时间通常会增加粘合强度。

“令人惊讶的是，这种效应如此简单，而且如此广泛，”拉加万说。

研究人员表示，电粘附的潜在应用可能包括改进生物医学植入物——将组织粘合到钢或钛上的能力可能有助于加固植入物。 他们补充说，电粘附还可能有助于创造具有坚硬的骨状骨架和柔软的肌肉状元素的仿生机器人。 拉加万说，他们还认为，电粘附可能会导致新型电池的出现，其中软电解质与硬电极粘合在一起，尽管目前尚不清楚这种粘附是否会对电池的性能产生很大影响。

研究人员还发现电粘附可能发生在水下，他们认为这可以为这种效应开辟更广泛的可能应用。 典型的粘合剂在水下不起作用，因为许多粘合剂无法铺展到浸没在液体中的固体表面上，甚至那些由于液体的干扰通常只能形成弱粘合的粘合剂。

“我很难确定这一发现的真正应用，”拉加万说。 “这让我想起了 Velcro 或便利贴背后的研究人员——当发现这些发现时，这些应用对他们来说并不明显，但随着时间的推移，这些应用确实出现了。”

科学家详细介绍了 他们的发现 3 月 13 日在线发表在 ACS Central Science 杂志上。