麻豆视频在线看,欧美三区四区,高清不卡亚洲

西安交大邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：開(kāi)發(fā)出自生長(zhǎng)式核殼仿生粘附結(jié)構(gòu)

2022-12-19 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生粘附結(jié)構(gòu) 自主生長(zhǎng) 雙層聚合物核殼結(jié)構(gòu)

仿生制造是通過(guò)對(duì)自然生物的模仿實(shí)現(xiàn)高性能材料、結(jié)構(gòu)、器件和裝備的設(shè)計(jì)和制造，為學(xué)術(shù)及工程領(lǐng)域提供靈感和技術(shù)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(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)，對(duì)于任意粗糙度和取向的表面都能夠提供強(qiáng)大且可逆的粘附能力，近十幾年來(lái)受到廣泛關(guān)注。以其腳掌末端結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，科研人員已經(jīng)能仿制出類(lèi)似的干粘附結(jié)構(gòu)，并在特種機(jī)器人、智能機(jī)械手、醫(yī)療工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用潛力。

傳統(tǒng)仿生干粘附結(jié)構(gòu)通常采用光刻、刻蝕、模塑、3D打印等機(jī)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(biāo)表面展現(xiàn)出高強(qiáng)度粘附特性，無(wú)法與生物體粘附結(jié)構(gòu)性能相提并論。形成鮮明對(duì)比的是，生物體粘附結(jié)構(gòu)是通過(guò)細(xì)胞增殖分化生長(zhǎng)形成，無(wú)須像傳統(tǒng)加工那樣需要一系列制造過(guò)程疊加，即可實(shí)現(xiàn)形狀特征（抹刀狀或蘑菇狀形貌等）和性狀特征（結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度梯度化分布）的一體化生長(zhǎng)成形，在不同目標(biāo)表面表現(xiàn)出令人驚奇的粘附特性。

從“加工”到“生長(zhǎng)”

西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)多年致力于仿生智能機(jī)械的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，摒棄了傳統(tǒng)“加工”的制造思路，聚焦生物體通過(guò)細(xì)胞增殖分化由簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)演化為復(fù)雜組織器官的生長(zhǎng)行為，巧妙地利用電場(chǎng)對(duì)聚合物的作用規(guī)律，提出粘附結(jié)構(gòu)“自主生長(zhǎng)”成形新策略，實(shí)現(xiàn)了軟殼/硬核蘑菇狀干粘附結(jié)構(gòu)形貌和功能的“從無(wú)到有”一體化成形，達(dá)到了對(duì)生物體粘附結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)形式到生長(zhǎng)策略仿生復(fù)刻的目的，在手機(jī)、陶瓷板、A4紙、毛玻璃、砂紙等常見(jiàn)物體表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附效果，突破了仿生結(jié)構(gòu)在粗糙表面粘附力急劇下降的應(yīng)用瓶頸，如圖1所示。相關(guān)研究成果最近在《自然-通信》報(bào)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(fù)合形式粘附結(jié)構(gòu)自主生長(zhǎng)成形

為何生長(zhǎng)、如何控制

根據(jù)雙層聚合物生長(zhǎng)過(guò)程的形態(tài)演變，核殼結(jié)構(gòu)自生長(zhǎng)過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段為對(duì)應(yīng)蘑菇桿徑成形的垂直生長(zhǎng)，第二階段為對(duì)應(yīng)蘑菇帽檐成形的水平生長(zhǎng)。第一階段：初始結(jié)構(gòu)僅由沒(méi)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(duì)應(yīng)固化后的軟材料，底層聚合物對(duì)應(yīng)固化后的硬材料。當(dāng)雙層薄膜置于空間電場(chǎng)時(shí)，由于異質(zhì)材料介電常數(shù)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(huì)產(chǎn)生Maxwell 應(yīng)力，驅(qū)動(dòng)雙層聚合物按照最不穩(wěn)定波長(zhǎng)朝向誘導(dǎo)模板流變生長(zhǎng)；第二階段，頂層聚合物與誘導(dǎo)模板接觸后會(huì)在電潤(rùn)濕效應(yīng)（electrowetting）下流動(dòng)擴(kuò)展至電極表面，形成蘑菇狀帽檐，同時(shí)，底層聚合物繼續(xù)在頂層聚合物內(nèi)部約束下生長(zhǎng)，最終形成軟殼/硬核的特征形式，如圖2a~e所示。為進(jìn)一步增強(qiáng)自生長(zhǎng)核殼結(jié)構(gòu)的形貌可控性，研究團(tuán)隊(duì)提出了底層聚合物預(yù)結(jié)構(gòu)化方法，通過(guò)底層聚合物的預(yù)制結(jié)構(gòu)影響空間分布電場(chǎng)，由此產(chǎn)生的Maxwell應(yīng)力能夠驅(qū)動(dòng)雙層聚合物按照初始結(jié)構(gòu)周期生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)大面積、均勻一致結(jié)構(gòu)制造，如圖2f~j所示。在生長(zhǎng)成形過(guò)程中，可通過(guò)改變聚合物膜厚、空氣間隙、材料介電常數(shù)、底層聚合物預(yù)結(jié)構(gòu)形狀等工藝參數(shù)，影響氣/液和液/液界面的Maxwell驅(qū)動(dòng)力和氣液固三相交界線(xiàn)的電潤(rùn)濕力，實(shí)現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)成形控制。

圖2 核殼結(jié)構(gòu)電場(chǎng)誘導(dǎo)自生長(zhǎng)成形

粗糙表面粘附增強(qiáng)機(jī)制

相較于均質(zhì)材料的蘑菇狀軟結(jié)構(gòu)和硬結(jié)構(gòu)，蘑菇狀軟殼/硬核結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的軟接觸有利于減小界面接觸應(yīng)力差異，從而提升粘附結(jié)構(gòu)與目標(biāo)表面間的有效接觸面積，因此，核殼結(jié)構(gòu)的實(shí)際接觸面積遠(yuǎn)大于硬結(jié)構(gòu)，由此說(shuō)明“為什么核殼結(jié)構(gòu)粘附力大于硬質(zhì)結(jié)構(gòu)”；在界面分離階段，粘附結(jié)構(gòu)的硬材質(zhì)分離趨向于結(jié)構(gòu)整體與目標(biāo)表面分離，有利于抑制剝離行為的產(chǎn)生，而軟質(zhì)結(jié)構(gòu)分離容易從應(yīng)力集中點(diǎn)處率先產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，由此說(shuō)明“為什么核殼結(jié)構(gòu)粘附力大于軟質(zhì)結(jié)構(gòu)”。核殼結(jié)構(gòu)綜合了軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料在接觸和分離結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)特征，保障了從納米到微米多尺度粗糙度表面的高強(qiáng)度附著。

圖3 核殼結(jié)構(gòu)在粗糙表面的粘附增強(qiáng)機(jī)制

自生長(zhǎng)核殼結(jié)構(gòu)粘附效果

自生長(zhǎng)蘑菇狀核殼結(jié)構(gòu)在納米、微米甚至上百微米粗糙度表面（以粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊和系列化砂紙作為目標(biāo)對(duì)象）均具有優(yōu)異的粘附特性，在1000次循環(huán)測(cè)試下沒(méi)有發(fā)生明顯的粘附強(qiáng)度下降，與傳統(tǒng)加工制造的粘附結(jié)構(gòu)相比，在目標(biāo)表面適用范圍和粘附強(qiáng)度方面表現(xiàn)出突出優(yōu)勢(shì)，如圖4所示。

圖4 核殼結(jié)構(gòu)在不同目標(biāo)表面的粘附性能

針對(duì)目前仿生干粘附結(jié)構(gòu)在粗糙表面高強(qiáng)度附著的挑戰(zhàn)性難題，研究人員從壁虎腳掌末端結(jié)構(gòu)形式和生成機(jī)制出發(fā)，設(shè)計(jì)了蘑菇狀軟殼/硬核仿生結(jié)構(gòu)形式，提出了核殼結(jié)構(gòu)“從無(wú)到有”的電致自主生長(zhǎng)成形策略，自生長(zhǎng)式核殼仿生粘附結(jié)構(gòu)在納米、微米甚至百微米量級(jí)粗糙度表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附特性；研究工作突破了仿生干粘附結(jié)構(gòu)在目標(biāo)表面粗糙度適用范圍以及結(jié)構(gòu)耐久度方面的應(yīng)用瓶頸，有助于推動(dòng)仿生粘附相關(guān)結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的發(fā)展，為仿生干粘附領(lǐng)域研究提供了新的思路。

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

版權(quán)與免責(zé)聲明：中國(guó)聚合物網(wǎng)原創(chuàng)文章。刊物或媒體如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)聯(lián)系郵箱：info@polymer.cn，并請(qǐng)注明出處。

（責(zé)任編輯：xu）

【大中小】【打印】【關(guān)閉】

相關(guān)新聞

誠(chéng)邀關(guān)注高分子科技

更多>>最新資訊

更多>>科教新聞

国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

誠(chéng)邀關(guān)注高分子科技