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西安交大邵金友、田洪淼團隊《Nat. Commun.》：開發出自生長式核殼仿生粘附結構

2022-12-19 來源：高分子科技

仿生制造是通過對自然生物的模仿實現高性能材料、結構、器件和裝備的設計和制造，為學術及工程領域提供靈感和技術突破。壁虎能夠在豎直墻壁以及天花板表面靈活自由的爬行或長時間靜止不動，對于任意粗糙度和取向的表面都能夠提供強大且可逆的粘附能力，近十幾年來受到廣泛關注。以其腳掌末端結構為研究對象，科研人員已經能仿制出類似的干粘附結構，并在特種機器人、智能機械手、醫療工程等領域展現出不可替代的應用潛力。

傳統仿生干粘附結構通常采用光刻、刻蝕、模塑、3D打印等機械加工的方法制備，其幾何形狀和功能特性有限，僅能在特定范圍目標表面展現出高強度粘附特性，無法與生物體粘附結構性能相提并論。形成鮮明對比的是，生物體粘附結構是通過細胞增殖分化生長形成，無須像傳統加工那樣需要一系列制造過程疊加，即可實現形狀特征（抹刀狀或蘑菇狀形貌等）和性狀特征（結構內部剛度梯度化分布）的一體化生長成形，在不同目標表面表現出令人驚奇的粘附特性。

從“加工”到“生長”

西安交通大學邵金友、田洪淼團隊多年致力于仿生智能機械的開發與應用研究，摒棄了傳統“加工”的制造思路，聚焦生物體通過細胞增殖分化由簡單結構演化為復雜組織器官的生長行為，巧妙地利用電場對聚合物的作用規律，提出粘附結構“自主生長”成形新策略，實現了軟殼/硬核蘑菇狀干粘附結構形貌和功能的“從無到有”一體化成形，達到了對生物體粘附結構從結構形式到生長策略仿生復刻的目的，在手機、陶瓷板、A4紙、毛玻璃、砂紙等常見物體表面表現出優異的粘附效果，突破了仿生結構在粗糙表面粘附力急劇下降的應用瓶頸，如圖1所示。相關研究成果最近在《自然-通信》報道：“Core–shell dry adhesives for rough surfaces via electrically responsive self-growing strategy（Nature Communications (2022) 13:7659）”，田洪淼為論文的第一作者。

圖1 軟殼/硬核復合形式粘附結構自主生長成形

為何生長、如何控制

根據雙層聚合物生長過程的形態演變，核殼結構自生長過程可分為兩個階段：第一階段為對應蘑菇桿徑成形的垂直生長，第二階段為對應蘑菇帽檐成形的水平生長。第一階段：初始結構僅由沒有任何特定幾何形狀的雙層平膜聚合物組成，其中頂層聚合物對應固化后的軟材料，底層聚合物對應固化后的硬材料。當雙層薄膜置于空間電場時，由于異質材料介電常數的差異性，空氣與頂層聚合物的氣/液界面以及頂層聚合物與底層聚合物的液/液界面處會產生Maxwell 應力，驅動雙層聚合物按照最不穩定波長朝向誘導模板流變生長；第二階段，頂層聚合物與誘導模板接觸后會在電潤濕效應（electrowetting）下流動擴展至電極表面，形成蘑菇狀帽檐，同時，底層聚合物繼續在頂層聚合物內部約束下生長，最終形成軟殼/硬核的特征形式，如圖2a~e所示。為進一步增強自生長核殼結構的形貌可控性，研究團隊提出了底層聚合物預結構化方法，通過底層聚合物的預制結構影響空間分布電場，由此產生的Maxwell應力能夠驅動雙層聚合物按照初始結構周期生長，最終實現大面積、均勻一致結構制造，如圖2f~j所示。在生長成形過程中，可通過改變聚合物膜厚、空氣間隙、材料介電常數、底層聚合物預結構形狀等工藝參數，影響氣/液和液/液界面的Maxwell驅動力和氣液固三相交界線的電潤濕力，實現核殼結構的生長成形控制。

圖2 核殼結構電場誘導自生長成形

粗糙表面粘附增強機制

相較于均質材料的蘑菇狀軟結構和硬結構，蘑菇狀軟殼/硬核結構形式具有突出的“增加界面接觸、抑制界面分離”的作用特性，如圖3所示。在界面接觸階段，粘附結構的軟接觸有利于減小界面接觸應力差異，從而提升粘附結構與目標表面間的有效接觸面積，因此，核殼結構的實際接觸面積遠大于硬結構，由此說明“為什么核殼結構粘附力大于硬質結構”；在界面分離階段，粘附結構的硬材質分離趨向于結構整體與目標表面分離，有利于抑制剝離行為的產生，而軟質結構分離容易從應力集中點處率先產生裂紋并迅速擴展，由此說明“為什么核殼結構粘附力大于軟質結構”。核殼結構綜合了軟質材料和硬質材料在接觸和分離結構的優勢特征，保障了從納米到微米多尺度粗糙度表面的高強度附著。

圖3 核殼結構在粗糙表面的粘附增強機制

自生長核殼結構粘附效果

自生長蘑菇狀核殼結構在納米、微米甚至上百微米粗糙度表面（以粗糙度標準樣塊和系列化砂紙作為目標對象）均具有優異的粘附特性，在1000次循環測試下沒有發生明顯的粘附強度下降，與傳統加工制造的粘附結構相比，在目標表面適用范圍和粘附強度方面表現出突出優勢，如圖4所示。

圖4 核殼結構在不同目標表面的粘附性能

針對目前仿生干粘附結構在粗糙表面高強度附著的挑戰性難題，研究人員從壁虎腳掌末端結構形式和生成機制出發，設計了蘑菇狀軟殼/硬核仿生結構形式，提出了核殼結構“從無到有”的電致自主生長成形策略，自生長式核殼仿生粘附結構在納米、微米甚至百微米量級粗糙度表面表現出優異的粘附特性；研究工作突破了仿生干粘附結構在目標表面粗糙度適用范圍以及結構耐久度方面的應用瓶頸，有助于推動仿生粘附相關結構、器件和系統的發展，為仿生干粘附領域研究提供了新的思路。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35436-6

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（責任編輯：xu）

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