Создана поверхность с переключаемой липкостью

Графическая аннотация. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c11903

Что, если бы поверхность могла мгновенно переключаться с липкой на скользкую одним нажатием кнопки? Используя электричество для контроля над тем, как ионы и вода структурируются на границе раздела твёрдого тела и жидкости в самоорганизующихся монослоях ароматических молекул, исследователи из Национального университета Тайваня создали молекулярный переключатель адгезии, который включает и выключает притяжение.

Почему одни поверхности слипаются, а другие отталкиваются? В масштабах, слишком малых для невооружённого глаза, этим вопросом управляет сложное взаимодействие межмолекулярных сил, возникающих, когда заряженные частицы, называемые ионами, и вода организуются на границе между твёрдым телом и жидкостью.

Понимание и контроль этого поведения необходимы для технологий — от смазочных материалов и покрытий до датчиков и электроники.

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, Валентина Визер, первый автор работы, и её коллеги использовали это явление структурирования для электрического переключения молекулярной адгезии между специально разработанным ароматическим поверхностным слоем и поверхностью слюды, погружённой в электролит, содержащий натрий.

Регулируя напряжение, подаваемое на золотую поверхность под молекулами, исследователи смогли контролировать перемещение ионов и, следовательно, модулировать взаимодействие между молекулами и поверхностью слюды.

Когда применялся отрицательный потенциал, положительно заряженные ионы натрия направлялись в молекулярный слой, где особая молекулярная структура удерживала их на месте. Это привело к формированию очень стабильного, похожего на подушку барьера из упорядоченных ко-ионов и воды. В результате поверхность слюды сильно отталкивалась.

Контроль поверхностных взаимодействий между самоорганизующимися монослоями и слюдой посредством поляризационно-опосредованного упорядочивания ионов и гидратационных слоёв. Автор: Journal of the American Chemical Society

Напротив, когда применялся положительный потенциал, катионы выталкивались из слоя, и широко структурированный слой ионов и гидратации на границе раздела разрушался, позволяя двум поверхностям притягиваться друг к другу.

По сути, исследователи создали электромеханически управляемый переключатель адгезии — поверхность, которая становится либо отталкивающей, либо «липкой» исключительно в зависимости от приложенного напряжения и специфического структурирования ионов.

Это открытие показывает, как точный контроль ионов и воды на границах раздела может быть использован для создания «умных», отзывчивых поверхностей с переключаемыми механическими свойствами.

«Эта система демонстрирует очень своеобразный механизм для специфического структурирования и захвата ионов, который открывает захватывающие новые возможности для понимания и использования явлений на границе раздела», — говорит профессор Хсю-Вей Ченг, соавтор исследования.

Технологии с переключаемой адгезией могут найти применение в самых разных областях — от микроэлектромеханических систем (МЭМС) и робототехники, где требуется точное управление захватом объектов, до создания новых типов сенсоров и даже в биомедицине, например, для контролируемой доставки лекарств.

Дополнительная информация: Valentina Wieser et al, Electrically Switchable Molecular Adhesion via Self-Assembled Monolayer-Mediated Hydration and Ion Structuring, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c11903