Макар огромна част от предметите, които използваме всеки ден, да са сглобени с помощта на лепила, рядко се замисляме за тях – поне докато подметката на обувката ни не се отлепи или диванът не започне да се разпада.

За инженерите обаче лепилата са обект на сериозни изследвания, а едно от големите предизвикателства пред тях е, че повечето не работят добре под вода. Това значително затруднява например поддръжката на морска инфраструктура като подводните тръбопроводи.

Причината е, че водните молекули покриват повърхностите и образуват слой, който пречи на доброто прилепване. Освен това водата постепенно разрушава и отмива много от използваните лепила.

Лепило, което се самосглобява при контакт с вода

В ново изследване, публикувано в Nature Communications, учени представят необичайно здраво подводно лепило, което може да се използва многократно и действа чрез механизъм, звучащ почти като научна фантастика.

В основата му стои т.нар. супрамолекулна йонна течност, която работи чрез самосглобяване, предизвикано от обмен на разтворителя.

Първата част от този процес е свързана със супрамолекулната химия, наричана още „химия отвъд молекулата“. Тя изследва как множество молекули взаимодействат помежду си и се организират в по-сложни структури.

Втората част се отнася до начина, по който материалът реагира на водата. При контакт с нея структурата му се пренарежда, като в резултат лепилото образува връзка между потопените повърхности.

За да постигнат този ефект, изследователите комбинират гъвкави и твърди молекулни компоненти в супрамолекулна йонна течност, обозначена като BP16TPB.

След това я смесват с диметилсулфоксид (DMSO) – мощен разтворител, който разтваря BP16TPB и разделя част от молекулите му на подвижни заредени частици.

Схема на чист разтвор на BP16TPB (вляво) и на разтвор с добавен DMSO (вдясно). (Hu et al., Nat. Commun., 2026)

Как водата превръща течната смес в здрава мрежа

Когато в системата попадне вода, разделените частици започват да се пренареждат и се свързват в нова, стабилна структура.

Това става възможно благодарение на образуването на водородни връзки, както и на друг тип взаимодействие – т.нар. π–π подреждане (π–π stacking).

В процеса участва и ефектът на Марангони, който описва движението на течности, породено от разлики в повърхностното напрежение. На него се дължи и познатото явление, при което по стените на чаша с вино се образуват характерни струйки – т.нар. „сълзи на виното“.

„Сълзи“ на червено вино. (FlagSteward/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0)

Ефектът на Марангони има далеч по-широко приложение от този любопитен феномен при виното. Той е важен при нанасянето на покрития върху повърхности, при създаването на плуващи микроактуатори и при придвижването на течности през канали, по-тънки от човешки косъм.

Подобни процеси са в основата на микрофлуидиката – област, която намира приложение в технологии като тестовете за бременност и мастиленоструйните принтери.

Хидрофобните свойства преодоляват водната бариера

Ключово предимство на новото лепило са неговите силно изразени хидрофобни свойства. Те му позволяват да изтласка тънкия слой вода, който се образува върху потопените повърхности и обикновено пречи на лепилото да установи директен контакт с тях.

Съчетанието между хидрофобността и нековалентните връзки в супрамолекулната структура, обясняват авторите, „задвижва прехода на място от течлив прекурсор към плътна, водоустойчива мрежа“.

С други думи, първоначално течната смес се преобразува директно върху повърхността в плътна и устойчива структура.

Изследователите изпитват лепилото върху различни материали, потопени във вода, сред които керамика, епоксидни материали и пластмаси.

Схема на процедурата за подводно залепване (a) и контактните ъгли на водата и разтвора BP16TPB върху различни повърхности, включително стомана и пластмаси (b). (Hu et al., Nat. Commun., 2026)

Залепва за 10 секунди и издържа повече от три години

При тестовете материалът се оказва не само здрав, но и изключително бърз. Само след 10 секунди втвърдяване под вода той достига сила на сцепление от 1,1 милиона паскала – стойност, която „значително надвишава тази на традиционните подводни лепила“.

Още по-впечатляваща е неговата дълготрайност. При един от експериментите лепилото успява да задържи товар от 2 килограма (4,4 фунта) в продължение на повече от три години непрекъснато потапяне във вода.

„Тази дългосрочна оценка при статично натоварване представлява убедително доказателство за работоспособността на концепцията и показва устойчивостта на материала срещу разрушаване на контактната зона от водата и срещу структурно пълзене в рамките на многогодишен период“, посочват изследователите.

Запазва свойствата си и при многократна употреба

До известна степен лепилото може да се използва повторно. При експерименти, при които е било отлепяно и залепвано отново под вода, то е запазило надеждно адхезивните си свойства в рамките на осем последователни цикъла.

Материалът работи и в различни електролитни среди – кисели, алкални и солени. Има обаче едно съществено ограничение: чувствителен е към температури над 70 градуса по Целзий (158 градуса по Фаренхайт).

„Това изследване не само представя високоефективно подводно лепило“, заключават авторите, „но и предлага стратегия за развитието на интелигентни материали, които реагират на промените в околната среда“ – подход с потенциално широко приложение.

Изследването е публикувано в Nature Communications.

Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров