四川大學鄒華維教授團隊《AFM》：空間極端環境用仿生可逆粘附材料
大自然帶給了材料學家們無限的設計靈感，從荷葉、竹、木等的微觀多級結構及特殊功能，到具有突出力學性能的貝殼珍珠母層、蜘蛛絲，以及具有水下超強粘附的貽貝蛋白，一系列高性能及功能化聚合物仿生材料受此啟發，相繼被研發并得到實際應用。壁虎、蜥蜴等動物腳趾因其可以在物體表面產生強粘附并可輕易快速脫附而受到了人們的廣泛關注。研究表明，這一獨特的可逆粘附能力主要依賴于動物腳趾表面精細的多級剛毛結構，并基于范德華力及毛細作用力等得以實現（圖1a）。受此可逆粘附原理啟發，過去二十年，研究人員重點圍繞物理結構設計制備了一系列性能優異的仿生可逆粘附材料，并在精密器件轉運、智能機器人、醫療等領域展現出廣闊的應用前景。由于仿生粘附材料展現出的可逆特性及范德華力普適性相互作用，其在空間微重力、真空環境及多種材質表面均能良好發揮其可逆粘附功能，因此在空間技術，如航天器及裝置在軌操作、艙內及艙外機器人行走策略、空間碎片以及在軌飛行物捕捉等領域展現出很好的應用前景。近年來，美、歐等研究人員圍繞這些應用展開了先期探索工作（圖1b）。然而，空間在軌高低溫及輻射等極端環境條件對聚合物基仿生粘附材料的使用性能將產生顯著影響，開發適用于空間環境的仿生可逆粘附材料，將對該類材料走向空間實際應用，促進在軌服務技術的發展和革新具有重要意義。
圖1 具有可逆粘附能力的生物微結構及其仿生材料空間應用示意。（a）不同尺度下壁虎腳趾表面微結構形貌（圖片來源：PNAS, 2005, 102 (2), 385-389）；（b）仿生可逆粘附材料用于空間站外部檢查機器人構想圖（圖片來源：A. Parness, etc., presented at AIAA SPACE Conf. and Expo. San Diego, USA, September 2013）；零重力下抓取和釋放大型扁平（b）和彎曲物體（c）的驗證試驗（圖片來源：Science Robotics 2017, 2 (7), eaan4545）。
四川大學鄒華維教授團隊夏爽特聘副研究員等與青島科技大學李志波教授團隊合作，圍繞仿生可逆粘附材料的空間應用需求，以提升其空間耐受性能，尤其是低溫耐受性和耐輻射性為目標，通過一步法陰離子開環共聚合成了含苯基的聚二甲基硅氧烷彈性體（p-PDMS，圖2）。對p-PDMS的理化分析表明，少量苯基的引入即可完全抑制PDMS的低溫結晶，使得該類彈性體可在低至-120℃時依舊保持良好的高彈性（圖3）。
圖2 一步法陰離子開環聚合制備p-PDMS預聚體
圖3 不同苯基含量p-PDMS彈性體在不同溫度下的壓縮（a-c）及拉伸性能（d-f）
對基于一步成型制備的p-PDMS仿生可逆粘附材料的粘附性能評估結果表明，p-PDMS仿生可逆粘附材料室溫狀態的粘附強度可以很好地維持到低至-120℃。相比之下，基于相同合成方法制備的PDMS仿生可逆粘附材料在其結晶溫度以下（約-65℃），粘附強度降低了50%以上。-120℃百周期循環粘附實驗進一步表明，p-PDMS仿生可逆粘附材料的長時粘附-脫附性能可良好維持（圖4）。然而，PDMS仿生可逆粘附材料由于其低溫下的塑性形變，以及周期性預負載受力過程對表面微結構造成的累積形變，導致其后續粘附過程界面的非共形接觸及應力傳遞不均，最終導致其循環粘附強度出現顯著下降（圖5）。研究工作同時考察了高溫及伽瑪輻照對材料性能的影響。實驗結果表明，p-PDMS高溫熱穩定性能優異，可在100℃高溫環境良好維持其粘附性能。相較于PDMS，苯基的引入則可在一定程度上降低輻射損傷，尤其是在高劑量下。
圖4 不同溫度下PDMS和10%-p-PDMS制備的仿生粘附材料的法向粘附性能測試結果及低溫下百周期循環測試結果
圖5 PDMS及10%-p-PDMS制備的仿生可逆粘附材料粘附過程表面微觀形貌演變及其可能變化機制
該工作以《Superior Low-Temperature Reversible Adhesion Based on Bio-Inspired Microfibrillar Adhesives Fabricated by Phenyl Containing Polydimethylsiloxane Elastomers》為題發表在《Advanced Functional Materials》（Adv. Funct. Mater. 2021, 2101143）上，第一作者為四川大學特聘副研究員夏爽博士，通訊作者為四川大學鄒華維教授，青島科技大學李志波教授。該研究工作同時得到了中國工程物理研究院化工材料研究所高分子部的大力支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202101143
相關進展
高分子科技原創文章。歡迎個人轉發和分享，刊物或媒體如需轉載，請聯系郵箱：info@polymer.cn
誠邀投稿
歡迎專家學者提供稿件（論文、項目介紹、新技術、學術交流、單位新聞、參會信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并請注明詳細聯系信息。高分子科技?會及時推送，并同時發布在中國聚合物網上。
歡迎加入微信群 為滿足高分子產學研各界同仁的要求，陸續開通了包括高分子專家學者群在內的幾十個專項交流群，也包括高分子產業技術、企業家、博士、研究生、媒體期刊會展協會等群，全覆蓋高分子產業或領域。目前匯聚了國內外高校科研院所及企業研發中心的上萬名頂尖的專家學者、技術人員及企業家。
申請入群，請先加審核微信號PolymerChina （或長按下方二維碼），并請一定注明：高分子+姓名+單位+職稱（或學位）+領域（或行業），否則不予受理，資格經過審核后入相關專業群。
點
這里“閱讀原文”，查看更多
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
