Small:仿生水下气桥粘附“气泡胶水”

近年来,湿环境下的粘附在伤口贴片、体内给药、电子皮肤、水下攀附机器人等领域受到了科学家们的广泛关注。传统的粘合贴片由于界面上的水膜阻断了粘合剂分子的连接,这为复杂湿态环境下的有效粘附提出了挑战。目前常见的湿态粘附策略主要是通过模仿自然界生物的化学粘附分子和物理结构式粘附,如仿贻贝和蛞蝓的凝胶类黏附、仿章鱼吸盘结构负压吸附以及仿树蛙脚掌六棱柱结构的毛细力粘附。然而凝胶类粘附需要精心设计粘附分子,对凝胶材料的可重复性和耐磨性提出了要求;吸盘式吸附需要好的密封性和大的预压力,限制了其在微纳米尺度上的应用;另一种黏附策略是利用仿树蛙脚掌六棱柱平面结构产生的纳米液桥(Nano-Liquid Bridge)粘附(Zhang Liwen, Chen Huawei, et al. Adv. Sci. 2020),但是这种粘附方式不适用于水下粘附。那么,既然在空气中液桥可以产生大的粘附力,相对应地,气桥(Air Bubble Bridge)是否也可以在水下产生粘附效果呢?

最近,北京航空航天大学陈华伟教授团队受潜水甲虫启发,提出了一种利用气泡作为粘合剂实现宏微跨尺度可重复、高便捷和自适应水下粘附新理念。通过对水下气桥形态和作用力的原位表征,揭示了水下气泡作用力的内在影响规律,建立了结构材质影响下的气泡作用力理论模型,最后利用气泡设计实现了在水下宏观粘附、微流控和微粒自组装领域的应用。相关工作由北京航空航天大学陈华伟教授为通讯作者,博士生王炎和其副导师张力文作为共同第一作者。文章被选为内封底(Inside Back Cover)进行亮点报道。

图1 仿生水下气桥粘附Small封面

众所周知,水中气泡受浮力和水流冲击影响很容易上升或破裂。自然界的潜水甲虫为抵御这些影响进化出各向异性的倒刺结构来牢牢地粘附气泡,以鞘翅内气泡作为物理鳃进行水下呼吸。受此灵感,研究人员为验证气泡是否存在稳固的粘附力,通过拉压实验原位表征了气泡的形态变化以及对两个平板的作用力,发现气泡在拉压过程中,气泡作用力由逐渐增大的排斥力转变为粘附力,并且其作用力随着气泡厚度的减小而增大(视频1)。

图2 气泡作用力原位表征

通过对不同平板包括不同浸润性和不同粗糙度表面的拉压实验,发现材料越疏水(亲气)表现的粘附力越强排斥力越弱。当表面为超亲气时,气泡对两固体平板表现为强粘附效果,且无预压力达到“自吸附”。在不同粗糙表面则表现出随着粗糙度的减小,气泡作用力先变大后减小的趋势。根据生物倒刺结构提取出表面结构模型,建立了浸润性和表面结构对气桥动态接触角影响的理论模型,在传统液桥理论基础上提出了气桥作用力理论模型。根据该理论,气泡作用力便可通过设计表面结构和材料浸润性实现按需调控。

图3 气泡粘附理论模型

研究人员利用气泡展示了几种潜在实际应用(图4)。利用超亲气表面可实现100g砝码的水下粘附(图5);利用微纳气泡实现对微粒的抓取、转移和释放(图6),在微流控粒子筛选领域提供了一种新方法;利用亲疏水图案化表面,可以实现水下微粒的阵列化和自组装。

图4 “气泡胶水”应用
图5 水下气膜粘附100 g砝码
图6 水下气泡操控微粒

综上所述,该研究提出了一种新颖的水下粘附策略,即利用气桥实现两个表面间的水下粘附。原位表征了气泡作用力和气桥形态切换,并揭示了微观结构和表面浸润性对气泡作用力的影响理论机制。这一研究完善了水下界面粘附体系,并在生物工程、微流控芯片甚至水下软机器人领域具有潜在的实际应用。

作者后记

此项研究的灵感来源于前期的树蛙液桥粘附研究。采用反向思维,树蛙粘附是空气中用水粘附,那么水下能否用空气粘附呢。通过文献调研,尽管气泡粘附有相关报道,但大都是集中在单表面对气泡粘附行为的研究,而利用气泡作为粘合剂实现两个表面的水下粘附是一大空白。以此为契机,我们受潜水甲虫获得灵感开展了水下气泡从实验到理论和应用全方面的研究。

相关研究得到了国家自然科学基金项目(51935001, 51725501, 51905022)和国家重点研发计划项目(2019YFB1309702)等支持。

通讯作者

陈华伟,北京航空航天大学机械工程与自动化学院教授/副院长,入选或获得万人计划领军人才,杰青项目,第三届科学探索奖等。主要从事研究仿生功能表面、微/纳米加工和微/纳流体,在Nature, Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Science, Small, Angew. Chemie, ACS Applied Materials & Interface等期刊发表论文80余篇。

第一作者

王炎,北京航空航天大学在读博士,研究方向为仿生界面粘附力学。

张力文,北京航空航天大学助理教授,硕士生导师。面向微纳生/机界面科学技术,主要开展微纳仿生表面功能化、微纳流体、微纳智能制造技术及其应研究,在生物原型机理表征、微纳界面功能效应新机制和4D打印制造等方面取得许多创新性成果。相关研究发表于Advanced Science,Small,Nature,Advanced MaterialsJournal of Materials Chemistry A等期刊共计16篇,参与撰写专著2部,申请发明专利9项。获得国家自然科学基金项目支持,参与国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年项目和重点项目的研究工作。

论文信息:

Air Bubble Bridge-Based Bioinspired Underwater Adhesion

Yan Wang, Liwen Zhang, Yurun Guo, Yang Gan, Guang Liu, Deyuan Zhang, Huawei Chen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103423

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103423