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从壁虎身上“学艺”:超疏液、超粘附纤维插菊花综合,几乎任何表面可粘
2020年5月7日

众所周知,壁虎、蜥蜴、蜘蛛等爬行动物能够轻松地在各种表面上攀爬。

 

这是由于它们脚垫上具有无数微米或纳米级的纤维阵列,范德华力和毛细作用力使其可充当高性能干粘合剂,从而能够稳定地附着在各种表面。

 

近二十年以来,科学家们受爬行动物的启发,对纤维插菊花综合进行了广泛研究,成功合成了能够牢固地附着在各种表面上的纤维插菊花综合。然而,到目前为止还没有一种能够同时具有高附着力和强疏液性的纤维插菊花综合,许多人造纤维插菊花综合具有较强的疏水性,当表面接触低表面张力的液体时,粘合性能就会大大减弱。

 

亮点

 

近期,德国斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的Metin Sitti报道了一种受生物启发的弹性纤维插菊花综合,结合了蘑菇状纤维的强粘附性和纤维尖端双凹角几何形状的疏水性,不仅对低表面张力液体表现出超强疏液性,同时又保持了超强的粘合性能。强疏液性使该纤维插菊花综合能够有效地应用在有水、油或其他液体的表面;此外,该纤维插菊花综合还具有高度可变形性和拉伸性,能够抵抗较强程度的物理作用,大大扩展了它的实际应用范围。

 

从壁虎身上“学艺”:超疏液、超粘附纤维插菊花综合,几乎任何表面可粘

 

弹性纤维插菊花综合的制作

 

研究人员使用基于刚性的3顿印刷制造技术,通过两次成型工艺得到纤维插菊花综合,使用笔顿惭厂作为弹性体,并且该制作方法适用于多种弹性体材料。

 

制作过程如图1所示,首先使用双光子聚合法在玻璃基板上3顿打印纤维阵列;然后将单体与交联剂比为20:1的笔顿惭厂组合物浇铸并固化在纤维阵列上进行氟硅烷化;随后模制母版的笔顿惭厂制品,再使用单体与交联剂比为10:1的笔顿惭厂组合物进行脱模,得到具有弹性的纤维插菊花综合。

 

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图1.弹性纤维插菊花综合的制作过程

 

疏液性测试

 

研究人员通过接触角测量来表征纤维插菊花综合的疏液性,结果如图2所示,该纤维插菊花综合即使对甲醇、全氟己烷等低表面张力的液体同样表现出较强的疏液性;

 

从壁虎身上“学艺”:超疏液、超粘附纤维插菊花综合,几乎任何表面可粘

图2. 纤维插菊花综合的疏液性表征

 

此外,该纤维插菊花综合还能够对多种液体进行图3-4所示的液滴拾取和放置操作,这也表明了其具有优异的疏液性。

 

从壁虎身上“学艺”:超疏液、超粘附纤维插菊花综合,几乎任何表面可粘

图3.纤维插菊花综合对液滴的拾取和放置

 

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图4. 纤维插菊花综合对液滴的拾取和放置

 

粘附力测试

 

随后,研究人员通过拉力测试表征了纤维插菊花综合的粘附力。结果如图5所示,即使在2mN的低预紧力下,该纤维插菊花综合的所能承受的拉力也比平滑表面控制的粘合剂(图5b虚线)高出五倍左右!并且当插菊花综合中纤维帽直径超过28 µm时,其粘附应力超过100 kPa,这均表明了该纤维插菊花综合的超强粘附力。

 

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图5.纤维插菊花综合的粘附性表征

 

机械性能

 

研究人员所制备的纤维插菊花综合还具有优异的机械性能,从图6可以看出,即使经过较强的物理拉伸作用,该插菊花综合仍然能够恢复原始状态并保持粘合性和疏液性,证明了该纤维插菊花综合优异的弹性和可拉伸性。

 

从壁虎身上“学艺”:超疏液、超粘附纤维插菊花综合,几乎任何表面可粘

图6. 纤维插菊花综合的机械性能表征

 

在本篇文章中,研究人员介绍了一种受生物启发的超疏液纤维插菊花综合,其不仅具有超强的疏液性,同时又保持超强的粘合性能,为纤维插菊花综合的发展提供了新的方法,同时可扩展的制造工艺也有望实现其产业化发展。我们相信,这项技术将会在机器人技术、汽车工业、医疗设备、便携式电子产品的界面接触等领域得到广泛的应用!(互联网)

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