ACS Nano：模仿樹蛙腳墊，設計黏附結構

【引言】

樹蛙主要生活在濕潤的熱帶雨林中，得益于其腳墊優異的黏附力和摩擦力，從而能夠在植物的葉片上爬行跳躍，穿梭自如。這種粘附力和摩擦力與腳墊上的微觀結構和粘稠液體密切相關。之前的研究表明，樹蛙的腳墊主要存在兩種微觀結構，即五邊形和六邊形，并且多邊形與多邊形之間存在幾個微米寬的溝道。正是由于這些細微的溝道，當兩個界面相互接觸時，界面之間的液體可以有效地引導到溝道，從而減少界面之間的液體，實現了固體與固體之間的直接接觸，帶來了較大的粘附力和摩擦力。

【成果簡介】

通過有效模仿這種自然界生物體上存在的精巧結構——樹蛙粘性腳墊，為新型生物結構粘合劑提供了可能。最近，武漢大學薛龍建教授和德國馬普所Aran?zazu del Campo教授（共同通訊作者）等人在仿樹蛙腳墊黏附結構研究方面取得了重要進展，發表于 ACS Nano, 題為“Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog”。研究人員研發了一種微納復合仿生結構。該結構分為兩個部分，一種是柔性的硅橡膠（PDMS），另一種則是剛性的聚苯乙烯（PS）納米棒。硅橡膠有序的構成了分立的正六邊形陣列，而聚苯納米棒則垂直分布于這些正六邊形中。這種精細的設計使得接觸界面的應力分布得以在300 nm的尺度得到調控。其中應力最小值分布在微米柱的邊緣，從微米柱的邊緣向中心移動，應力增大。與此同時，較強的粘附力和較高的結構剛度，也增加了該結構的摩擦力，從而實現了黏附力和摩擦力的同時增強。

【圖文導讀】

圖1. 樹蛙腳墊的上皮細胞的掃描電鏡圖

圖2. 復合仿生結構的加工流程

a）利用陽極氧化鋁得到垂直的PS納米棒陣列；

b）在PS表面修飾乙烯基之后，涂覆PDMS的前驅體，形成薄膜；

c）加上Ni制成的模具之后，高壓下壓制；

d）翻轉并且利用液氮冷卻；

e）在液氮條件下，移動打開，得到納米棒陣列；

f）在Ni制成的模具上，涂覆較厚的PDMS前驅體，作為背層；

g）背層PDMS的固化。

圖3. PS納米棒陣列的微觀形貌

a）PS納米棒陣列的掃描電鏡圖（側視）；

b）在Ni模具上的共聚焦顯微鏡圖；

c）PS納米棒陣列的掃描電鏡圖（俯視）；

d）尺寸示意圖，納米棒高約5微米；

e-f）在液氮條件下，移動打開，得到納米棒陣列和基底。

圖4. 復合納米仿生結構

a-b）復合納米仿生結構俯視圖和截面圖；

c）結構示意圖；

d）對應的明場像和暗場像 。

圖5. 黏附力評價

a）位移與力的大小關系圖上載力(FL)， 黏附力(Fad) ；

b）含有乙烯基修飾的復合結構（以下記作Comp+），不含乙烯基修飾的復合結構（以下記作Comp）與純PDMS的黏附力對比。

圖6. 摩擦力評價

a）摩擦力Ff與位移之間的關系曲線；

b）摩擦力Ff和上載力Fl的關系；

c）動靜摩擦力的變化位移Ds的比較。

【小結】

該研究通過對樹蛙腳墊微觀結構的模仿，制備了一種包含PDMS和PS的二元復合結構，這種結構表現出良好的黏附力和摩擦力。與此同時，這種方法也可以被擴展運用于其他聚合物和材料的復合物制備中。當PS納米棒和PDMS之間通過二烯基的共價作用相連時，這兩種聚合物之間的應力和形變得到了傳導，使得黏附力和摩擦力同時得到增強。此外，這項工作對未來仿生黏附材料的設計和制備，提供了有力的參考。

文獻鏈接：Xue L, Sanz B, Luo A, et al. Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog[J]. ACS nano, 2017.

薛龍建，中組部“青年千人計劃”，武漢大學動力與機械學院教授，工業研究院教授。中科院取得博士學位后，作為洪堡學者、馬普學者在德國長期從事科研工作。研究領域包括仿生功能材料、微納制造、微觀結構與力學、聚合物薄膜穩定性及圖案化等。

本文由材料人編輯部饒成成編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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