從壁虎身上“學藝”:超疏液、超粘附纖維膠粘劑,幾乎任何表面可粘

眾所周知,壁虎、蜥蜴、蜘蛛等爬行動物能夠輕松地在各種表面上攀爬。

從壁虎身上“學藝”:超疏液、超粘附纖維膠粘劑,幾乎任何表面可粘

這是由於它們腳墊上具有無數微米或納米級的纖維陣列,范德華力和毛細作用力使其可充當高性能幹粘合劑,從而能夠穩定地附著在各種表面。

從壁虎身上“學藝”:超疏液、超粘附纖維膠粘劑,幾乎任何表面可粘

近二十年以來,科學傢們受爬行動物的啟發,對纖維膠粘劑進行瞭廣泛研究,成功合成瞭能夠牢固地附著在各種表面上的纖維膠粘劑。然而,到目前為止還沒有一種能夠同時具有高附著力和強疏液性的纖維膠粘劑,許多人造纖維膠粘劑具有較強的疏水性,當表面接觸低表面張力的液體時,粘合性能就會大大減弱。

亮點

近期,德國斯圖加特馬克斯·普朗克智能系統研究所的Metin Sitti報道瞭一種受生物啟發的彈性纖維膠粘劑結合瞭蘑菇狀纖維的強粘附性和纖維尖端雙凹角幾何形狀的疏水性,不僅對低表面張力液體表現出超強疏液性,同時又保持瞭超強的粘合性能。強疏液性使該纖維膠粘劑能夠有效地應用在有水、油或其他液體的表面;此外,該纖維膠粘劑還具有高度可變形性和拉伸性,能夠抵抗較強程度的物理作用,大大擴展瞭它的實際應用范圍。

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彈性纖維膠粘劑的制作

研究人員使用基於剛性的3D印刷制造技術,通過兩次成型工藝得到纖維膠粘劑,使用PDMS作為彈性體,並且該制作方法適用於多種彈性體材料。

制作過程如圖1所示,首先使用雙光子聚合法在玻璃基板上3D打印纖維陣列;然後將單體與交聯劑比為20:1的PDMS組合物澆鑄並固化在纖維陣列上進行氟矽烷化;隨後模制母版的PDMS制品,再使用單體與交聯劑比為10:1的PDMS組合物進行脫模,得到具有彈性的纖維膠粘劑。

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圖1.彈性纖維膠粘劑的制作過程

疏液性測試

研究人員通過接觸角測量來表征纖維膠粘劑的疏液性,結果如圖2所示,該纖維膠粘劑即使對甲醇、全氟己烷等低表面張力的液體同樣表現出較強的疏液性;

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圖2. 纖維膠粘劑的疏液性表征

此外,該纖維膠粘劑還能夠對多種液體進行圖3-4所示的液滴拾取和放置操作,這也表明瞭其具有優異的疏液性。

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圖3.纖維膠粘劑對液滴的拾取和放置
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圖4. 纖維膠粘劑對液滴的拾取和放置

粘附力測試

隨後,研究人員通過拉力測試表征瞭纖維膠粘劑的粘附力。結果如圖5所示,即使在2mN的低預緊力下,該纖維膠粘劑的所能承受的拉力也比平滑表面控制的粘合劑(圖5b虛線)高出五倍左右!並且當膠粘劑中纖維帽直徑超過28 µm時,其粘附應力超過100 kPa,這均表明瞭該纖維膠粘劑的超強粘附力。

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圖5.纖維膠粘劑的粘附性表征

機械性能

研究人員所制備的纖維膠粘劑還具有優異的機械性能,從圖6可以看出,即使經過較強的物理拉伸作用,該膠粘劑仍然能夠恢復原始狀態並保持粘合性和疏液性,證明瞭該纖維膠粘劑優異的彈性和可拉伸性。

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圖6. 纖維膠粘劑的機械性能表征

在本篇文章中,研究人員介紹瞭一種受生物啟發的超疏液纖維膠粘劑,其不僅具有超強的疏液性,同時又保持超強的粘合性能,為纖維膠粘劑的發展提供瞭新的方法,同時可擴展的制造工藝也有望實現其產業化發展。我們相信,這項技術將會在機器人技術、汽車工業、醫療設備、便攜式電子產品的界面接觸等領域得到廣泛的應用!

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202000497

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