中科院蘭州化物所周峰研究員課題組：具有機(jī)械響應(yīng)自剝離特性的仿生智能壁虎腳黏附材料

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2021年6月7日 10:24

設(shè)計在濕環(huán)境下具有可逆黏附和摩擦調(diào)控特性的智能材料，一直是仿生科學(xué)和材料工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。大自然中大部分生物能夠在不改變界面物理化學(xué)相互作用的情況下僅僅依靠黏附器官的動態(tài)機(jī)械形變就能實(shí)現(xiàn)快速可逆黏附和脫附，最典型的一個案例就是壁虎。壁虎腳趾在運(yùn)動中的機(jī)械形變會導(dǎo)致其表面微納結(jié)構(gòu)與基底接觸的狀態(tài)變化，從而由良好的結(jié)合狀態(tài)（強(qiáng)范德華力、高黏附力）通過剝離的裂紋擴(kuò)展機(jī)制變?yōu)槊撾x狀態(tài)（弱范德華力、低黏附力）。這賦予了壁虎快速可逆可切換的摩擦黏附能力。目前，針對干、濕交變等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，開發(fā)具有壁虎腳機(jī)械剝離機(jī)制特性的仿生智能摩擦黏附材料迫在眉睫。

中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室材料表界面課題組多年來致力于仿生濕黏滑智能界面的設(shè)計與構(gòu)筑。近日，該課題組成功制備得到具有機(jī)械響應(yīng)自剝離特性的智能壁虎腳黏附材料。研究人員通過耦合表面微結(jié)構(gòu)（蘑菇狀硅彈性體）、界面黏附化學(xué)（鄰苯二酚基濕黏附共聚物膠）和材料機(jī)械形變（響應(yīng)性水凝膠），開發(fā)了一種對溫敏性仿生多層智能黏附器件（SPSA），動態(tài)機(jī)械變形誘發(fā)界面接觸狀態(tài)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了水下黏附可逆調(diào)控。

中科院蘭州化物所周峰研究員課題組：具有機(jī)械響應(yīng)自剝離特性的仿生智能壁虎腳黏附材料的圖1

圖1. 基于機(jī)械響應(yīng)剝離機(jī)制的仿生壁虎腳濕黏附智能器件作業(yè)演示圖

研究人員通過使用界面軟接觸黏附力儀測量系統(tǒng)原位表征了SPSA器件與基底表面的動態(tài)接觸過程，成功捕獲到接觸界面的裂紋擴(kuò)展和剝離邊界演變過程（圖2）。通過黏附力測試與接觸力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)SPSA能夠在干態(tài)、濕態(tài)環(huán)境下通過本體材料的機(jī)械變形引發(fā)的剝離機(jī)制實(shí)現(xiàn)黏附力的可逆調(diào)控。并且，黏附力與形變曲率半徑的關(guān)系是0.5的標(biāo)度律，且SPSA可在干態(tài)與濕態(tài)條件下連續(xù)可逆循環(huán)使用20次以上。

研究人員將具有光熱響應(yīng)特性的納米粒子整合到器件中，所設(shè)計的器件能夠在近紅外激光的輻照下成功實(shí)現(xiàn)與壁虎腳趾類似的接觸貼合、形變剝離、脫附的過程，并用于水下物件的抓取與轉(zhuǎn)移。

中科院蘭州化物所周峰研究員課題組：具有機(jī)械響應(yīng)自剝離特性的仿生智能壁虎腳黏附材料的圖2

圖2.在干濕條件下的SPSA智能黏附器件在動態(tài)加載、平衡和去載過程中的裂紋擴(kuò)展和剝離邊界演變圖。

該研究工作以壁虎真實(shí)運(yùn)動形態(tài)為仿生出發(fā)點(diǎn)，通過將表面微結(jié)構(gòu)、界面化學(xué)和機(jī)械形變耦合，開發(fā)了在外場刺激下具有機(jī)械響應(yīng)自剝離特性的新型仿生壁虎腳器件，為仿生智能黏附和摩擦材料的工程化應(yīng)用提供了新的設(shè)計思路。該工作以“Gecko’s Feet-inspired Self-peeling Switchable Dry/Wet Adhesive”為題發(fā)表在Chemistry of Materials （2021, 33, 2785-2795）上，蘭州化物所博士生張云雷為第一作者，通訊作者為周峰研究員和麻拴紅副研究員。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會以及中科院國際合作局對外合作項(xiàng)目的支持，同時也得到了清華大學(xué)李小松博士的幫助。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c04576?ref=pdf

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