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蘭州化物所仿生摩擦材料研究取得新進(jìn)展

文章來源：中科院蘭州化物所更新時間：2021-06-03 14:21:52

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)機械形變就能實現(xiàn)快速可逆黏附和脫附，最典型的一個案例就是壁虎。壁虎腳趾在運動中的機械形變會導(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)（強范德華力、高黏附力）通過剝離的裂紋擴(kuò)展機制變?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(xué)院蘭州化學(xué)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(shè)計與構(gòu)筑。近日，該課題組成功制備得到具有機械響應(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)機械變形誘發(fā)界面接觸狀態(tài)變化，進(jìn)而實現(xiàn)了水下黏附可逆調(diào)控。

圖1. 基于機械響應(yīng)剝離機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械變形引發(fā)的剝離機制實現(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。

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運動形態(tài)為仿生出發(fā)點，通過將表面微結(jié)構(gòu)、界面化學(xué)和機械形變耦合，開發(fā)了在外場刺激下具有機械響應(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目的支持，同時也得到了清華大學(xué)李小松博士的幫助。

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