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武漢大學薛龍建教授團隊 ACS Nano:納米接觸 - 更快、更強、更省液的毛細粘附
2025-03-03  來源:高分子科技

  昆蟲腳上微米級的剛毛結構通過形成納米液橋來實現(xiàn)濕粘附,從而使它們能在各種表面上輕松行走。與經(jīng)典毛細模型不同的是,昆蟲剛毛末端的液橋與黏液腺相連,與接觸表面形成動態(tài)黏附。雖然科學家們對納米級毛細現(xiàn)象的物理機制充滿興趣,但其具體機制仍不明確。


1 (a) 瓢蟲照片;(b)瓢蟲剛毛掃描電鏡圖;(c)仿昆蟲剛毛的多孔納米柱陣列;(d)原子力顯微鏡尖探針用于模擬粗糙表面,與樣品形成點接觸;(e)原子力顯微鏡球探針用于模擬平面,與樣品形成面接觸。


  近期,武漢大學薛龍建教授團隊建立了一個模仿昆蟲剛毛的人工動態(tài)濕黏附系統(tǒng)(圖1),揭示了納米級毛細粘附的動態(tài)過程以及剛毛結構賦予濕黏附的多重優(yōu)勢。該系統(tǒng)利用多孔納米陣列(PNAs來模擬昆蟲剛毛;利用不同尺寸的原子力探針模擬不同粗糙度的接觸面;將礦物油動態(tài)傳輸PNAs尖端與接觸表面形成納米液橋,模擬昆蟲的黏液分泌過程。通過黏附力的實時監(jiān)測,可以清晰地監(jiān)測濕黏附發(fā)展過程。


  相對于沒有結構的平膜樣品,PNAs能夠更快地與接觸表面形成穩(wěn)定的濕黏附(圖2)。這是由于PNAs的納米柱末端的大曲率會產(chǎn)生額外的拉普拉斯壓力,同時,線張力在納米尺度的貢獻也不可忽略(6.7 mN/m )。這兩個效應使得礦物油在探針上的接觸角增加。因此,礦物油能在探針上以更短的時間內到平衡接觸角,建立穩(wěn)定的濕粘附。這解釋了昆蟲能夠在各種表面上快速著陸的能力。



2 (a) PNAs(b)平膜的濕黏附演變過程。(c)PNAs與平膜在不同探針下的穩(wěn)定濕黏附形成時間。(d)平膜和(e)PNAs上礦物油在探針表面的接觸角變化示意圖。


  在形成納米液橋后,PNAs的黏附力相比于平膜樣品有4-6倍的提升(圖3)。當PNAs與表面形成面接觸時,形成多個納米級的毛細橋,產(chǎn)生的附著力遠超過相同接觸面積下單個橋的毛細力(接觸分裂機制)。當PNAs與粗糙表面形成單液橋接觸時,PNAs尖端的大曲率產(chǎn)生的額外拉普拉斯壓力,也使得黏附力有數(shù)倍的提升。


3 具有不同表面能的PNAs和平膜在(a)球探針和(b)尖探針下的黏附力。


  PNAs的末端結構使得礦物油在探針上的平衡接觸角增大,促使液橋在更靠近探針的位置斷裂。因此,相對于平面而言,脫附后探針上殘留的液體顯著減少,至少節(jié)省了一半的液體(圖4)。這種液體節(jié)省能力對于昆蟲在自然環(huán)境中保持體液平衡至關重要。


4 PNAs和平膜在(a)尖探針和(b)球探針上的液體損失量。


  該工作不僅在納米尺度揭示了納米液橋的力學機制,更是首次揭示了剛毛結構對動態(tài)濕黏附的多重貢獻,加深了對自然進化結構多功能性的理解,還可為納米印刷、納米機器人和納米器件自組裝提供指導。此外,該工作建立的動態(tài)濕黏附系統(tǒng),可以作為模型體系研究動態(tài)毛細現(xiàn)象。該工作以“Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。該研究得到國家自然科學基金委和國家重點研發(fā)計劃的支持。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14048

  下載:Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion

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