ACS Nano：模仿树蛙脚垫，设计黏附结构

【引言】

树蛙主要生活在湿润的热带雨林中，得益于其脚垫优异的黏附力和摩擦力，从而能够在植物的叶片上爬行跳跃，穿梭自如。这种粘附力和摩擦力与脚垫上的微观结构和粘稠液体密切相关。之前的研究表明，树蛙的脚垫主要存在两种微观结构，即五边形和六边形，并且多边形与多边形之间存在几个微米宽的沟道。正是由于这些细微的沟道，当两个界面相互接触时，界面之间的液体可以有效地引导到沟道，从而减少界面之间的液体，实现了固体与固体之间的直接接触，带来了较大的粘附力和摩擦力。

【成果简介】

通过有效模仿这种自然界生物体上存在的精巧结构——树蛙粘性脚垫，为新型生物结构粘合剂提供了可能。最近，武汉大学薛龙建教授和德国马普所Arańzazu del Campo教授（共同通讯作者）等人在仿树蛙脚垫黏附结构研究方面取得了重要进展，发表于 ACS Nano, 题为“Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog”。研究人员研发了一种微纳复合仿生结构。该结构分为两个部分，一种是柔性的硅橡胶（PDMS），另一种则是刚性的聚苯乙烯（PS）纳米棒。硅橡胶有序的构成了分立的正六边形阵列，而聚苯纳米棒则垂直分布于这些正六边形中。这种精细的设计使得接触界面的应力分布得以在300 nm的尺度得到调控。其中应力最小值分布在微米柱的边缘，从微米柱的边缘向中心移动，应力增大。与此同时，较强的粘附力和较高的结构刚度，也增加了该结构的摩擦力，从而实现了黏附力和摩擦力的同时增强。

【图文导读】

图1. 树蛙脚垫的上皮细胞的扫描电镜图

图2. 复合仿生结构的加工流程

a）利用阳极氧化铝得到垂直的PS纳米棒阵列；

b）在PS表面修饰乙烯基之后，涂覆PDMS的前驱体，形成薄膜；

c）加上Ni制成的模具之后，高压下压制；

d）翻转并且利用液氮冷却；

e）在液氮条件下，移动打开，得到纳米棒阵列；

f）在Ni制成的模具上，涂覆较厚的PDMS前驱体，作为背层；

g）背层PDMS的固化。

图3. PS纳米棒阵列的微观形貌

a）PS纳米棒阵列的扫描电镜图（侧视）；

b）在Ni模具上的共聚焦显微镜图；

c）PS纳米棒阵列的扫描电镜图（俯视）；

d）尺寸示意图，纳米棒高约5微米；

e-f）在液氮条件下，移动打开，得到纳米棒阵列和基底。

图4. 复合纳米仿生结构

a-b）复合纳米仿生结构俯视图和截面图；

c）结构示意图；

d）对应的明场像和暗场像 。

图5. 黏附力评价

a）位移与力的大小关系图上载力(FL)， 黏附力(Fad) ；

b）含有乙烯基修饰的复合结构（以下记作Comp+），不含乙烯基修饰的复合结构（以下记作Comp）与纯PDMS的黏附力对比。

图6. 摩擦力评价

a）摩擦力Ff与位移之间的关系曲线；

b）摩擦力Ff和上载力Fl的关系；

c）动静摩擦力的变化位移Ds的比较。

【小结】

该研究通过对树蛙脚垫微观结构的模仿，制备了一种包含PDMS和PS的二元复合结构，这种结构表现出良好的黏附力和摩擦力。与此同时，这种方法也可以被扩展运用于其他聚合物和材料的复合物制备中。当PS纳米棒和PDMS之间通过二烯基的共价作用相连时，这两种聚合物之间的应力和形变得到了传导，使得黏附力和摩擦力同时得到增强。此外，这项工作对未来仿生黏附材料的设计和制备，提供了有力的参考。

文献链接：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.

薛龙建，中组部“青年千人计划”，武汉大学动力与机械学院教授，工业研究院教授。中科院取得博士学位后，作为洪堡学者、马普学者在德国长期从事科研工作。研究领域包括仿生功能材料、微纳制造、微观结构与力学、聚合物薄膜稳定性及图案化等。

本文由材料人编辑部饶成成编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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