Обычно вода создаёт серьёзные препятствия при склеивании материалов. Водяные молекулы образуют защитный слой на поверхности, препятствуя проникновению клея в материал и постепенно разрушая прочность соединения. Учёные разработали принципиально новый клеевой состав, который работает совсем иначе: влага запускает внутреннюю перестройку молекулярной структуры, превращая жидкую субстанцию в твёрдый и водоустойчивый слой за считанные секунды.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. В центре разработки находится вещество BP16TPB — супрамолекулярная ионная жидкость, сочетающая гибкие и жёсткие молекулярные компоненты. Супрамолекулярная химия изучает системы, где прочность структуры обеспечивается не одной крупной молекулой, а множеством слабых связей между несколькими компонентами. Этот подход позволяет получать материалы с необычным сочетанием механических и электрических характеристик.
Перед использованием BP16TPB разводят в диметилсульфоксиде (DMSO). Эта жидкость повышает подвижность компонентов и сохраняет клей в текучем виде. При контакте с водой растворитель диффундирует наружу, а молекулы BP16TPB образуют плотную и организованную структуру.
Прочность образующейся сетки обеспечивается несколькими типами взаимодействий, прежде всего водородными связями и взаимодействиями между ароматическими группами. В отличие от обычных клеев, где прочность создаётся необратимыми химическими реакциями, здесь связи обратимы. Исследования показали, что обратимые методы соединения материалов открывают новые возможности для управления адгезией без традиционных клеевых слоёв.
Значительную роль играет эффект Марангони — явление, при котором разница в поверхностном натяжении заставляет жидкость двигаться. Классический пример — следы на стенках бокала с вином. В технике этот эффект используется для управления жидкими покрытиями, движением микрообъектов и микрофлюидными системами в струйных принтерах и диагностических устройствах.
В новом клее разница поверхностного натяжения вытесняет воду из зоны контакта. Дополнительную защиту обеспечивает водоотталкивающие свойства BP16TPB. Оба механизма удаляют тонкий водяной слой между клеем и материалом, позволяя супрамолекулярной структуре формироваться прямо в месте соединения.
Результаты тестирования продемонстрировали быстрое схватывание. На керамике прочность на сдвиг составила 1,1 МПа спустя 10 секунд под водой и возросла до 1,3 МПа через пять минут. На медных поверхностях получили 1,1 МПа, на эпоксидной смоле — 0,7 МПа, на полиамиде — 0,5 МПа. Специалисты также проверили взаимодействие состава со стеклом и множеством других твёрдых материалов.
Долгосрочные испытания показали впечатляющие результаты. После 250 дней нахождения под водой соединение сохраняло прочность свыше 0,8 МПа. В другом эксперименте склеенная конструкция удерживала двухкилограммовый груз более трёх лет непрерывного пребывания в воде без разрушения под постоянной нагрузкой.
Супрамолекулярная природа структуры делает материал переиспользуемым. Во время испытаний клей успешно прошёл восемь циклов восстановления и повторного применения, не теряя адгезионных свойств. Для обычных конструкционных клеев такая обратимость является редкостью, так как большинство составов после полимеризации невозможно вернуть в первоначальное состояние.
BP16TPB сохранял эффективность в солёной, кислой и щелочной среде, что расширяет область применения за пределами чистой воды лабораторных условий. Данный материал может быть использован при восстановлении подводных трубопроводов, морских конструкций и другого оборудования, поднятие которого на поверхность экономически нецелесообразно.
Основное выявленное ограничение связано с температурой. При нагреве выше 70 °C свойства клея снижаются. Перед внедрением в промышленность необходимо изучить поведение материала при циклических нагрузках и в реальных морских условиях.
Исследование демонстрирует более общий принцип создания интеллектуальных материалов: внешняя среда может не вредить соединению, а наоборот, активировать формирование прочной структуры. Для подводных клеевых составов такой подход особенно значим, так как вода перестаёт быть препятствием и становится неотъемлемой частью механизма склеивания.
