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科研進展

蘭州化物所仿生摩擦材料研究取得新進展

發表日期:2021-06-01來源:蘭州化學物理研究所放大 縮小

  設計在濕環境下具有可逆黏附和摩擦調控特性的智能材料,一直是仿生科學和材料工程領域的重大挑戰。大自然中大部分生物能夠在不改變界面物理化學相互作用的情況下僅僅依靠黏附器官的動態機械形變就能實現快速可逆黏附和脫附,最典型的一個案例就是壁虎。壁虎腳趾在運動中的機械形變會導致其表面微納結構與基底接觸的狀態變化,從而由良好的結合狀態(強范德華力、高黏附力)通過剝離的裂紋擴展機制變為脫離狀態(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、濕交變等復雜作業環境,開發具有壁虎腳機械剝離機制特性的仿生智能摩擦黏附材料迫在眉睫。

  中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗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計與構筑。近日,該課題組成功制備得到具有機械響應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構(蘑菇狀硅彈性體)、界面黏附化學(鄰苯二酚基濕黏附共聚物膠)和材料機械形變(響應性水凝膠),開發了一種對溫敏性仿生多層智能黏附器件(SPSA),動態機械變形誘發界面接觸狀態變化,進而實現了水下黏附可逆調控。

1. 基于機械響應剝離機制的仿生壁虎腳濕黏附智能器件作業演示圖

  研究人員通過使用界面軟接觸黏附力儀測量系統原位表征了SPSA器件與基底表面的動態接觸過程,成功捕獲到接觸界面的裂紋擴展和剝離邊界演變過程(圖2)。通過黏附力測試與接觸力學分析,發現SPSA能夠在干態、濕態環境下通過本體材料的機械變形引發的剝離機制實現黏附力的可逆調控。并且,黏附力與形變曲率半徑的關系是0.5的標度律,且SPSA可在干態與濕態條件下連續可逆循環使用20次以上。

  研究人員將具有光熱響應特性的納米粒子整合到器件中,所設計的器件能夠在近紅外激光的輻照下成功實現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移。

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

  該研究工作以壁虎真實運動形態為仿生出發點,通過將表面微結構、界面化學和機械形變耦合,開發了在外場刺激下具有機械響應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用提供了新的設計思路。該工作以“Gecko’s Feet-inspired Self-peeling Switchable Dry/Wet Adhesive”為題發表在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基金、中科院青年創新促進會以及中科院國際合作局對外合作項目的支持,同時也得到了清華大學李小松博士的幫助。

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