結合模仿兩種或兩種以上生物的特征,可以創造出超越其原型生物特性的新材料或裝置,甚至獲得原型生物中不存在的新性能。受壁虎剛毛的啟發,具有T型末端結構的微納米柱狀陣列是最具影響的結構(圖1A-B)。它可以降低結構的有效模量,增大接觸面積,調控界面的應力分布,從而提高結構的黏附力。另一方面,有研究表明樹蛙腳掌的模量從表面向內部逐漸降低(圖1C-D),這樣的模量梯度有助于提高黏附力和提高結構的耐磨性。受這兩種動物黏附結構特征的啟發,武漢大學動力與機械學院、工業科學研究院薛龍建教授課題組(NISE-Lab)將兩者結合起來,構建了新型黏附結構(圖1E)。
圖1 TG的設計原理。(a)壁虎示意圖;(b)由壁虎啟發的帶T形的微米柱狀陣列示意圖;(c)樹蛙示意圖;(d)由樹蛙啟發的梯度模量的柱狀陣列;(e)受壁虎和樹蛙啟發的帶T形末端的梯度模量復合微米柱狀陣列。
利用CaCO3納米顆粒與基體聚二甲基硅氧烷(PDMS)的密度差,結合軟印刷技術與離心法,使得CaCO3納米顆粒梯度地分布在PDMS微米柱內部,即:微米柱的頂端含有較多的CaCO3納米顆粒,模量較大;含有較少CaCO3納米顆粒的微米柱底部的模量較小,實現了微米柱沿柱體高度方向模量的梯度變化;通過調控CaCO3納米顆粒的含量和離心轉速和時間可以進一步調控模量梯度。進一步采用墨印技術在微米柱頂端形成T形結構,從而制備出具有梯度彈性模量的T形微米柱陣列(TG)(圖2)。
圖2 TG的制備過程及形貌。(a)聚氨酯(PU)孔洞模板;(b)將混合物前驅體澆注到PU模板孔洞中;(c)通過離心法使納米顆粒在模板孔洞中形成梯度分布;(d)固化后脫模得到具有模量梯度的復合柱狀陣列黏附墊;(e)經過墨印技術得到T形末端。
圖3 (A)Vcal為0 vol%(TH)、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs樣品在不同梯度率下的Fad。(B)有限元仿真模擬脫離前TG的應力分布3D圖。(C)模擬脫離前TP、TH和TG在分離界面沿徑向的應力分布曲線。(D)Vcal為0 vol%(TH)、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs樣品在不同梯度率下的Ff。(E)不同的剪切力F下,TG、TH和TP的接觸面的光學顯微鏡照片。紅圈代表微米柱末端發生彎曲前的位置,箭頭代表發生彎曲的方向。陰影部分表示的是標準差。
在微米柱中引入模量梯度后,微米柱的黏附力(Fad)和摩擦力(Ff)都得到了大幅度的提升。當CaCO3體積分數(Vcal)為14.6 vol%和梯度率為403.4 kPa /μm時,TG的Fad (218.1 ± 3.5 kPa)達到具有T形PDMS微米柱狀陣列(傳統的仿壁虎剛毛結構)Fad的4.6倍(圖3A)。TG柔軟的底部降低了局部彎曲剛度,從而允許微米柱頂端發生彎曲,有助于其與不平或者未對齊的表面形成更好的接觸。TG頂部模量大,增強了脫黏時的最大應力;同時模量梯度大幅度降低了脫黏時分離界面邊緣的應力集中,并將最大應力往分離界面的中心轉移(圖3B-C)。這種應力分布使得脫黏過程開始于接觸區域的中心部分,然后再向外傳播,直至整個接觸區域。同時,TG的Ff增加到970.1 ± 56.6 mN,達到T形PDMS微米柱狀陣列的2.4倍(圖3D)。這是由于在摩擦過程中,TG的黏附性能好且底部柔軟,有助于其在發生剪切彎曲時保持黏附在表面上(圖3E)。將模量梯度引入柔軟PDMS內部形成復合微米柱TG,由于微米柱模量的增大其結構穩定性也得到了提高。
該工作將受壁虎啟發的干態黏附劑的性能推到了一個新的高度,為超強黏附和摩擦材料提供了新的設計原理和制造技術。該工作以“Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog”為題發表在Small, 2020, 2005493上,武漢大學動力與機械學院博士生劉權、譚迪和孟凡棟為共同第一作者,通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃項目的支持。
NISE-Lab長期致力于仿生黏附材料(固固界面、固液界面、固液固界面)的相關研究,相關成果還發表在Adv. Sci., 2020, 2001650、 Mater. Today, 2020, 35, 42、Small, 2019, 1904248、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 46337、ACS Nano, 2017, 11, 9711、Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 1499、Nat. Commun., 2015, 6, 6621、Nano Lett., 2013, 13, 5541等國際頂尖期刊以及書籍《Bio-Inspired Structured Adhesives》(Springer, 2017)。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202005493
NISE-Lab 課題組網站:http://niselab.whu.edu.cn/
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