Small:受爬山虎和壁虎黏附特性启发的适用于粗糙表面的光控可逆结构黏附

自然界中很多生物进化出非常出色的黏附能力,其中壁虎是最具代表性的动物之一。壁虎能够牢固地黏附在各种垂直表面甚至天花板上,且能很快从黏附表面脱离,实现快速的爬行。壁虎能获得强黏附力的秘密在于其脚趾上的微纳刚毛结构:能够在不同表面形成很多的接触点,获得远超于其体重的黏附力。而刚毛的倾斜、非对称结构结合脚趾末端的上翘动作使得其可以从黏附表面轻松脱离。仿壁虎的可逆黏附材料在智能机器人、航空航天、生物医疗以及半导体等领域有着广泛的应用前景。目前,仿壁虎可逆黏附材料在不同粗糙表面实现强黏附和可控轻松脱离依然存在挑战,这也是阻碍仿壁虎可逆黏附材料实际应用的最大阻碍。

爬山虎是植物中进化出卓越黏附性能的代表物种之一。爬山虎为了获取更多的阳光,进化出能够在粗糙表面形成超强黏附的黏附垫。爬山虎通过黏附垫分泌粘液到粗糙表面的间隙中,然后木质化粘液,从而使其黏附垫锁定在粗糙表面,形成极强的黏附力。

武汉大学动力与机械学院薛龙建教授课题组(NISE-Lab)结合爬山虎黏附与壁虎黏附的特点,设计出一种仿生微米柱阵列黏附垫,能在光滑以及均方根粗糙度高达4.3 μm的表面实现可逆黏附。

新型可逆黏附垫使用形状记忆环氧树脂(SMP)作为微米柱阵列,聚氨酯(PU)作为支撑层。调节环氧树脂单体与交联剂的比例,获得玻璃化转变温度(Tg)在~30 ℃的SMP。在SMP中加入石墨烯(石墨烯具有光热转化效应),利用紫外光照射使得SMP的温度在Tg上下变化,从而改变其储能模量:无光照时,SMP微米柱温度为室温,模量为1400 MPa;光照时,温度升高到50 ℃,模量急剧降低到5 MPa。因此,在光照时接触粗糙表面,SMP微米柱发生塑性变形,顺应粗糙表面的微观结构,形成紧密的接触。无光照时进行脱离,其应力承受能力大幅升高;同时,界面应力均匀分布于整个接触表面,从而在多种粗糙度表面获得了~250 kPa的黏附强度,2.5倍于壁虎黏附强度(100 kPa)。大黏附强度可以保证在获得同样黏附力的基础上只需要较小的接触面积,为实现结构黏附的实用性提供保障。在光照时脱离,SMP微米柱温度为50 ℃,微米柱容易发生变形,在粗糙界面上产生应力集中,使得脱离黏附只需要很小的力。高黏附状态和低黏附状态的比值(开关比)高达25;实现了在两种状态的光控可逆转换。

由于SMP的形状记忆效应,这种新型SMP可逆黏附垫拥有很好的耐久性。由于SMP微米柱阵列在接触时会发生塑性变形以适应粗糙表面,在脱离之后SMP微米柱会形成与接触表面一样的形貌,变得很粗糙。利用SMP的形状记忆效应,在温度高于Tg时,SMP发生相变,在没有外力约束时恢复到原始状态。因此,只需在脱离后进行加热处理就可以保证SMP能够长期保持最初的黏附强度。

通过结合爬山虎与壁虎黏附特点设计的仿生黏附垫实现了在光滑与粗糙表面的光控可逆黏附,同时拥有2.5倍于壁虎脚的强黏附力、高达25的黏附力开关比以及高耐用性。由于环氧树脂原材料价格低廉,模板法制备过程简单,这种仿生可逆黏附垫具有非常好的应用前景。

该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。 相关论文发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201904248)上。