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有人把小黃鴨粘在海邊,1年了也沒(méi)被沖走!全網(wǎng)都在要膠水鏈接

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在日本北海道的海邊,一只黃色的橡皮鴨被牢牢地粘在一塊礁石上。任憑海浪不斷拍打,潮起潮落,這只玩具鴨卻紋絲不動(dòng)。


圖片來(lái)源:Nature

這不是整活,也不是惡作劇,而是北海道大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的一項(xiàng)嚴(yán)肅實(shí)驗(yàn)——他們要測(cè)試一種全新的水下超強(qiáng)粘合材料。

水下粘合,502膠也不管用

為什么要研究在水下的粘合材料?

想象一下,在海洋開發(fā)、水下設(shè)備維修、海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域,工程師和科研人員常常需要在水下完成各種任務(wù),比如結(jié)構(gòu)粘合或傳感器固定。又比如,在水產(chǎn)養(yǎng)殖等海洋農(nóng)業(yè)活動(dòng)中,對(duì)水下的網(wǎng)箱、管道等設(shè)施進(jìn)行快速有效的修補(bǔ)也是必不可少的 。


水下粘合劑的應(yīng)用場(chǎng)景丨Nature

然而,傳統(tǒng)的粘合劑在潮濕或水下環(huán)境中往往會(huì)性能下降甚至完全失效。比如說(shuō)大家常用的502膠,它需要利用物體表面微量的濕氣來(lái)快速變硬,但在水下使用時(shí),大量的水瞬間涌入,導(dǎo)致膠水還沒(méi)來(lái)得及接觸物體,自己就瞬間變成了一團(tuán)無(wú)用的固體,自然就粘不住東西了。

不過(guò),大自然中有些生物卻完美解決了這個(gè)問(wèn)題。比如貽貝能在海浪沖刷的礁石上安家,任憑風(fēng)吹浪打也不松動(dòng);有些細(xì)菌能在下水道這種極度潮濕的環(huán)境里形成頑固的菌膜,讓清潔工人頭疼不已。


礁石上的貽貝丨veer圖庫(kù)

它們的秘密武器,就是體內(nèi)特殊的粘附蛋白。以貽貝為例,它們分泌的貽貝足絲蛋白富含一種叫多巴(DOPA)的特殊氨基酸。多巴分子就像一個(gè)個(gè)微小的吸盤,能牢牢吸附在各種巖石、金屬甚至塑料表面。更關(guān)鍵的是,這些蛋白在接觸到海水后,會(huì)迅速發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),形成一種堅(jiān)韌且具有彈性的復(fù)合膠體不僅能抵抗海水的沖刷,還能吸收海浪的沖擊力,這正是貽貝能在礁石上屹立不倒的奧秘。


貽貝絲上的蛋白大致分布丨參考文獻(xiàn)[2]

向大自然“取經(jīng)”

為了開發(fā)高性能水下粘合材料,科學(xué)家想到可以向大自然“取經(jīng)”,研究生物體中粘附蛋白的功能來(lái)獲取研究靈感。不過(guò)問(wèn)題來(lái)了:自然界的粘附蛋白種類繁多,該選哪種來(lái)研究才最高效呢?

2024年,北海道大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)想出了一種特別的研究方法:他們不是研究一兩種生物,而是一口氣分析了24707種粘附蛋白!這些粘附蛋白的來(lái)源可謂五花八門:不僅有上面提到的貽貝,還有沙漠甲蟲、深海細(xì)菌、病毒,甚至還有人工合成的。

通過(guò)多序列比對(duì)技術(shù),研究人員識(shí)別出了每個(gè)物種粘附蛋白的共識(shí)序列,即在進(jìn)化過(guò)程中被保留下來(lái)的關(guān)鍵片段。他們發(fā)現(xiàn),盡管這些蛋白質(zhì)序列看似雜亂無(wú)章,但在功能分類層面卻存在著明顯的模式。


通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、編碼等方式處理粘附蛋白數(shù)據(jù),提取氨基酸特征丨參考文獻(xiàn)[1]

研究人員把組成這些蛋白質(zhì)的氨基酸分成了六大類,每一類都有自己的“性格”:有些“怕水”(疏水類),像油一樣排斥水;有些“親水”(親核類),喜歡和水打交道;有些帶正電(陽(yáng)離子類),有些帶負(fù)電(酸性類);還有些含有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)(酰胺類和芳香類)。

研究人員通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),成功的粘附蛋白都有自己的“配方偏好”。比如大腸桿菌的粘附蛋白,特別喜歡把“怕水”和芳香類氨基酸放在一起,而貝類的粘附蛋白則更偏愛(ài)帶正電和芳香類氨基酸的組合。

AI助力打造超級(jí)粘合劑

找到粘附蛋白的組成規(guī)律后,為了將其轉(zhuǎn)換為實(shí)用的粘合材料,研究團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)巧妙的策略。他們選擇了六種化學(xué)單體(可以理解為樂(lè)高積木的基本塊),每種代表一類氨基酸的特性,然后像搭積木一樣,按照從生物蛋白中學(xué)到的“配方”,把這些單體組合成新材料。


六種功能單體的化學(xué)結(jié)構(gòu),每種代表氨基酸六大功能類別之一丨參考文獻(xiàn)[1]

研究團(tuán)隊(duì)一口氣合成了180種不同的水凝膠,測(cè)試發(fā)現(xiàn),其中16種的粘附力超過(guò)了100千帕斯卡(kPa)。作為對(duì)比,在干燥條件下,普通膠帶的粘附力約為10-50kPa,502膠水約為500kPa。雖然新材料的粘附力暫時(shí)還比不上502膠水,但在有水環(huán)境下已經(jīng)是巨大的突破。

注:粘附力,即把粘在一起的兩個(gè)東西分開所需要的力,單位通常用帕斯卡表示。1帕斯卡等于1牛頓的力作用在1平方米的面積上。

但團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)不止于此。他們想知道,粘附強(qiáng)度的極限在哪里?

如果繼續(xù)用傳統(tǒng)方法合成和測(cè)試材料,就如同大海撈針一樣耗時(shí)耗力。于是,研究的第三階段,他們請(qǐng)出了一位強(qiáng)大的新伙伴:AI。


研究人員分析了粘附蛋白的氨基酸序列,發(fā)現(xiàn)了若干特征性序列模式,并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)粘附性水凝膠,同時(shí)利用AI對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化丨參考文獻(xiàn)[1]

他們用9種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)分析這180種材料的數(shù)據(jù),尋找配方和粘附力之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)反復(fù)學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè),AI給出了新的配方建議。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)這些建議,又合成了幾十種新材料。經(jīng)過(guò)三輪優(yōu)化,最終誕生了超級(jí)明星——R1-max。


研究人員合成的R1-max等材料的外觀丨參考文獻(xiàn)[1]

R1-max的粘附力達(dá)到了驚人的1兆帕(1MPa = 1000千帕),相當(dāng)于之前合成材料的近 7 倍!這是什么概念?一塊指甲蓋大小的R1-max,能在水下吊起10公斤的重物,相當(dāng)于一個(gè)西瓜的重量。

R1-max之所以能在水下保持如此強(qiáng)大的粘合力,是因?yàn)槠渑浞街械氖杷惡头枷泐惤Y(jié)構(gòu)扮演了“排水泵”的角色。當(dāng)水凝膠接觸物體表面時(shí),這些成分能有效地將接觸界面上的水分子排擠出去,從而創(chuàng)造出一個(gè)能讓膠水與物體直接接觸的“干燥”微環(huán)境。這解決了普通膠水在水下首先要面對(duì)的“水膜”隔離難題。

新的粘合劑有多強(qiáng)大?

回到故事開頭的場(chǎng)景,那只被牢牢粘在海邊礁石上的小黃鴨,正是R1-max的杰作。在真實(shí)海洋環(huán)境中,它經(jīng)受住了海浪日復(fù)一日的沖擊,展現(xiàn)了驚人的耐久性 。


圖片來(lái)源:參考文獻(xiàn)[1]

研究人員還進(jìn)行了其他測(cè)試:他們用R1-max把兩塊玻璃板粘在一起,并在下面吊了1公斤的重物,然后把整個(gè)裝置泡在鹽水里。一年后,粘合依然牢固。不僅如此,R1-max對(duì)塑料、金屬甚至豬骨等各種材料表面都表現(xiàn)出強(qiáng)大的粘附力。

為什么要粘附豬骨?因?yàn)樵谌梭w內(nèi)部或潮濕的傷口上,普通粘合劑往往無(wú)法發(fā)揮作用 。這種新型水凝膠具有良好的生物相容性,未來(lái)有望應(yīng)用于手術(shù)中,用于快速止血、封閉組織創(chuàng)口。


圖中一塊 R1-max(25 mm × 25 mm,厚約 0.4 mm)在生理鹽水中承受 1 kg 載荷,將陶瓷(左)、玻璃(中)和鈦板(右)粘接在一起,持續(xù)超過(guò) 1 年丨參考文獻(xiàn)[1]


R1-max從豬骨表面剝離丨參考文獻(xiàn)[1]

研究人員此后新合成的R2-max(R1-max的“兄弟”)更是創(chuàng)造了奇跡。他們?cè)谝粋€(gè)3米高的水管底部打了個(gè)2厘米的洞,水像噴泉一樣噴涌而出,流速達(dá)到5.4米/秒。然后,他們用一小塊R2-max往洞上一貼,水流瞬間停止,而且5個(gè)月都沒(méi)有滲漏。作為對(duì)比,商業(yè)防水膠帶FLEX TAPE在同樣條件下,1.5小時(shí)就敗下陣來(lái)。



R2-max成功修復(fù)管道底部的孔洞,超過(guò) 5 個(gè)月未見(jiàn)滲漏。凝膠干燥后變透明,僅孔周圍出現(xiàn)渾濁區(qū)域,表明有水滲入。市售的 FLEX TAPE在相同條件下僅1.5 小時(shí)就出現(xiàn)滲漏。丨參考文獻(xiàn)[1]

無(wú)論是海邊屹立不倒的橡皮鴨,還是3米高的水管,這些實(shí)例成功地證明了新型粘合劑強(qiáng)大的粘附力和驚人的持久性。這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)膠水在水下失效的難題,更為水下工程的緊急修復(fù)、醫(yī)療領(lǐng)域的生物粘合劑等應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)了革命性的潛力。

更重要的是,這項(xiàng)研究還展示了一種全新的科研范式:從大自然中汲取靈感,利用AI進(jìn)行優(yōu)化,最終創(chuàng)造出超越自然的新材料。這種自然啟發(fā)+AI賦能的模式,為未來(lái)新材料的研發(fā)開辟了無(wú)限可能。

參考文獻(xiàn)

[1] Liao, H., Hu, S., Yang, H. et al. Data-driven de novo design of super-adhesive hydrogels. Nature 644, 89–95 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09269-4

[2] Hwang, D. S. et al. Protein-and metal-dependent interactions of a prominent protein in mussel adhesive plaques. Journal of Biological Chemistry 285, 25850–25858 (2010).

作者簡(jiǎn)介 蘇澄宇,科普作者。

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