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一只普通的小黃鴨，竟然登上了全球頂級學(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 —— 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)動狀態(tài)密切相關(guān)。過去，由于檢測技術(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。比例過低，水凝膠易在粘附時斷裂；過高則材料變硬脆，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)，水凝膠越易潤濕被粘表面（皮膚、金屬等），通過范德華力、氫鍵實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合。但軟段并非越多越好：過多易蠕變、降強(qiáng)度，過少則難潤濕、弱粘附。
可見，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)檢測二者比例及運(yùn)動狀態(tài)？過去的傳統(tǒng)方法始終有局限。
二、檢測方法的局限：無法精準(zhǔn)解析 “軟硬平衡"，配方優(yōu)化如 “盲人摸象"
低場核磁技術(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
通過溶劑浸泡測溶脹度推測交聯(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，無法區(qū)分軟硬段比例與分子運(yùn)動狀態(tài)，難給配方調(diào)整提供方向。
熱分析法：耗時久、難直接定位問題
需復(fù)雜升降溫程序，單次測試數(shù)小時，不滿足產(chǎn)線快速檢測需求；且只能通過溫度數(shù)據(jù)間接反推性能，無法直接獲取分子鏈段運(yùn)動狀態(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)動性差？如同 “盲人摸象"。
傳統(tǒng)方法的缺陷，長期制約高粘附力水凝膠的研發(fā)效率，直到低場核磁共振技術(shù)出現(xiàn)，這一困境才被打破。
三、低場核磁共振技術(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"，核心在于其無損、快速、定量的優(yōu)勢 —— 無需破壞樣品，1 分鐘內(nèi)即可完成測試，且能直接獲取硬段、軟段及中間相的比例與運(yùn)動狀態(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 “氫質(zhì)子弛豫" 區(qū)分軟硬段
低場核磁共振技術(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，來區(qū)分硬段與軟段的運(yùn)動狀態(tài)：
激發(fā)：通過脈沖磁場擾動水凝膠中的氫質(zhì)子，使其自旋方向偏離平衡態(tài)；
弛豫：停止脈沖后，氫質(zhì)子會逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)，這一過程稱為 “弛豫"。其中，硬段因分子運(yùn)動受限（剛性強(qiáng)），氫質(zhì)子恢復(fù)速度快，對應(yīng)的 “T2 弛豫時間" 短；軟段因分子運(yùn)動自由（柔性強(qiáng)），氫質(zhì)子恢復(fù)速度慢，對應(yīng)的 “T2 弛豫時間" 長；
2、直接關(guān)聯(lián)粘附力：軟段指標(biāo)是 “關(guān)鍵信號"
通過低場核磁共振技術(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)"：
若測試結(jié)果顯示，水凝膠的軟段 T2 弛豫時間高、軟段占比合理（通常軟段占比需結(jié)合應(yīng)用場景調(diào)整，如醫(yī)療敷料需兼顧柔性與強(qiáng)度），則說明軟段的柔性與潤濕性優(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）；
若軟段占比過高、硬段不足，則可通過補(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：解決傳統(tǒng)方法的所有痛點(diǎn)
無損檢測：無需切割、溶解樣品，尤其適合珍貴的研發(fā)樣品或成品檢測；
超快速：1 分鐘內(nèi)完成測試，遠(yuǎn)超熱分析法 “數(shù)小時" 的耗時，可滿足產(chǎn)線實(shí)時監(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)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，無需間接推測
回到最初的問題 ——“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)異潤濕性與合理占比，共同造就了高粘附力。而低場核磁共振技術(shù)的出現(xiàn)，讓這一 “分子層面的平衡" 從 “看不見、摸不著" 變?yōu)?“可量化、可調(diào)控"，徹-底改變了行業(yè)過去依賴經(jīng)驗(yàn)、效率低下的研發(fā)模式。
實(shí)驗(yàn)案例：低場核磁技術(shù)測試不同熟化時間的psa壓膠的軟硬段
→硬段弛豫時間、硬段比例變化不大，內(nèi)聚力差異不大，說明殘膠有可能是粘附力失控造成的
→軟段弛豫時間隨著熟化時間增加，T2時間變短，軟段變硬，粘性變?nèi)?/span>
→軟段弛豫時間滿足1.5ms<T23<2ms范圍內(nèi)，psa膠能滿足粘性條件且無殘膠問題。
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