Вода обычно превращает склеивание в серьёзную инженерную проблему. Молекулы воды покрывают поверхность тонким слоем, мешают клею добраться до материала и со временем ослабляют соединение. Новый состав использует влагу в свою пользу: контакт с водой запускает перестройку молекулярной структуры, после чего жидкая смесь быстро превращается в прочный водостойкий слой.
Разработку описали в Nature Communications. В основе клея лежит супрамолекулярная ионная жидкость BP16TPB, сочетающая гибкие молекулярные цепи и жёсткие ароматические фрагменты. Супрамолекулярная химия изучает структуры, которые формируются не за счёт одной большой молекулы, а благодаря множеству более слабых взаимодействий между отдельными компонентами. Похожий принцип использования ионных жидкостей позволяет создавать материалы с необычным сочетанием механических и электрических свойств.
Перед нанесением BP16TPB растворяют в диметилсульфоксиде, или DMSO. Растворитель делает компоненты смеси более подвижными и поддерживает клей в текучем состоянии. После контакта с водой DMSO начинает уходить в окружающую жидкость, а компоненты BP16TPB собираются в плотную супрамолекулярную структуру.
Прочность формирующейся сети обеспечивают сразу несколько видов взаимодействий, включая водородные связи и π-π-стекинг между ароматическими фрагментами. Обратимый характер связей отличает материал от многих традиционных клеев, где прочность создаётся необратимым химическим сшиванием. Ранее обратимые способы соединения материалов уже демонстрировали возможность управлять адгезией без обычного клеевого слоя.
Важную роль играет эффект Марангони, при котором различия поверхностного натяжения заставляют жидкость перемещаться. Знакомый бытовой пример проявления механизма можно увидеть в виде слёз вина на стенках бокала. В технике эффект Марангони применяют для управления покрытиями, движением миниатюрных объектов в жидкости и микрофлюидными системами, которые используются, например, в струйных принтерах и диагностических тестах.
В новом клее разница поверхностного натяжения помогает вытеснять воду из зоны контакта. Дополнительную защиту даёт выраженная гидрофобность BP16TPB. Вместе оба механизма убирают тонкий водяной слой между клеем и поверхностью, после чего супрамолекулярная сеть формируется непосредственно в месте соединения.
Испытания показали высокую скорость схватывания. На керамике прочность на сдвиг достигла 1,1 МПа всего через 10 секунд под водой, а спустя пять минут выросла примерно до 1,3 МПа. На меди зафиксировали около 1,1 МПа, на эпоксидной смоле около 0,7 МПа, на полиамиде около 0,5 МПа. Исследователи также проверяли взаимодействие состава со стеклом и другими твёрдыми поверхностями.
Долговременные испытания дали не менее заметный результат. После 250 дней пребывания под водой соединение сохраняло прочность выше 0,8 МПа. В отдельном эксперименте склеенная конструкция удерживала груз массой два килограмма более трёх лет непрерывного погружения. За всё время соединение не разрушилось под постоянной нагрузкой.
Супрамолекулярная структура позволяет использовать материал повторно. Во время испытаний клей проходил восемь циклов восстановления и повторного применения без заметной потери адгезионных свойств. Для обычного структурного клея подобная обратимость встречается редко, поскольку многие составы после отверждения невозможно вернуть в исходное состояние.
BP16TPB продолжал работать в солёной, кислой и щелочной среде, поэтому потенциальные применения не ограничиваются чистой водой лабораторных экспериментов. Материал может пригодиться при ремонте трубопроводов, морских сооружений и другого оборудования, которое сложно или дорого поднимать на поверхность только ради восстановления соединения.
Главным выявленным ограничением стала температура. При нагреве выше 70 градусов Цельсия характеристики клея ухудшаются. До промышленного применения также потребуется проверить поведение материала при длительных переменных нагрузках и в реальных морских условиях.
Работа показывает более широкий принцип создания умных материалов: окружающая среда может не разрушать соединение, а запускать процесс формирования прочной структуры. Для подводных клеев подобный подход особенно важен, поскольку вода из главной помехи превращается в часть механизма склеивания.