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武大薛龙建团队：受壁虎脚和章鱼吸盘启发的强黏附仿生微柱阵列

花匠小妙招
2025-01-10 05:24

壁虎、树蛙、昆虫等动物的脚掌表现出神奇的黏附性能。这些动物脚掌上的微结构对黏附起着关键作用；虽然这些动物脚掌上的微结构差异很大，但都可以看作柱状阵列。这些柱状阵列可以在各种表面形成可靠接触并积累范德华力，进而产生强大的黏附力。这样的黏附因此也被称为结构黏附。基于此，研究人员开发了各种各样的仿生黏附微柱阵列。微柱在接触界面的应力分布和剥离模式对黏附性能至关重要。大量研究表明，具有T型末端结构的微纳米柱状阵列是最具影响的结构，它可以降低微柱周边的应力，增大接触面积，从而提高结构的黏附力。然而，T型末端的悬垂结构缺乏支撑，在循环黏附期间容易发生结构塌陷。建立一个既能实现高黏附力且结构稳定的微柱阵列仍然是一个极具挑战的问题。

近期，受壁虎脚刚毛和章鱼吸盘的启发，武汉大学工业科学研究院、动力与机械学院薛龙建课题组(NISE-Lab)采用激光直写光刻法制备了顶端带有圆台形凹坑的柱状阵列（FCM）（图1a）。微柱顶部的圆台形微坑设计有利于和接触界面形成良好接触，并减少接触周边的应力。同时，FCM的圆台形凹坑设计也导致了微柱和接触面之间的整体脱离。这三种效应共同作用使得FCM可以达到1.2MPa的强黏附。此外，FCM的结构相当稳定，在经过1000次的循环粘附测试后仍保持结构完整，黏附力稳定。

图1. 受壁虎刚毛和章鱼脚吸盘的启发，通过激光直写光刻工艺制备出了具有圆台形凹坑的仿生微柱阵列。

通过激光直写光刻工艺制备了平头微柱（FPM）（图1b, e）、带有圆锥形凹坑的微柱（CCM）（图c, f）、以及具有圆台形凹坑的微柱（FCM）（图1d,g），得益于激光直写的光刻工艺，制备了不同深度（d）、张角(θ)、以及长径比（AR）的微柱阵列，并探讨了这些参数对黏附性能的影响（图2）。

图2. 仿生微柱的粘附力表征

有限元分析和原位光学观察揭示了FCM强黏附的作用机制（图3）：FCM的圆台形凹坑可以有效降低接触周边的应力；同时，由于应力主要集中在圆台的底边处（接触界面的中间区域，而非中心区域），导致接触界面会整体脱离，而非传统的剥离过程。这样的脱离过程形成较大的黏附力。

图3. 微柱的应力分布和剥离过程

同时，FCM可以在较低的负载力（3 mN）下和接触界面形成良好的接触，这对黏附表面的使用非常重要（图4）。

图4. 微柱接触状态对负载力的依赖性

在1000次黏附循环测试后，FCM保持完整的结构，黏附力始终保持在3.1 mN左右，具有出色的黏附稳定性（图5）。同时，FCM具有出色的表面适应性，在硅片、玻璃、陶瓷、塑料、纸等表面表均表现出良好的黏附性能（图6）。

图5. FCM的稳定性测试

图6. FCM在不同表面的黏附性能

本文以”Bioinspired micropillar array with micropit for robust and strong adhesion”为题发表在Chemical Engineering Journal上，武汉大学工业科学研究院博士生朱博为第一作者，博士生曹皓为共同一作，通讯作者为薛龙建教授和宋毅教授。该项目获得国家自然科学基金（51973165）和中央高校基本科研业务专项资金（2042022kf1220）的资助。

来源：国际仿生工程学会

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722057072