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武汉大学薛龙建课题组最新进展:通过光照调节材料分子链构象获得可逆黏附力
2019-11-29  来源:高分子科技

  自然界中,壁虎可以在垂直墙壁、天花板等不同的表面快速爬行,表现出全方位的运动能力。这种优异的运动能力与壁虎脚趾上精细的微纳米刚毛结构息息相关:壁虎在运动过程中,脚趾上的刚毛结构沿不同方向上具有不同的黏附力和摩擦力。壁虎脚趾在固体表面相对滑动时可以在接触表面形成大量有效接触点,从而产生足够大的范德华力以支撑其身体自重;而当脚趾向上弯曲时,又能够轻易地从接触表面脱离。

  受壁虎刚毛结构的启发,人们设计制备出很多仿生可逆黏附材料,在工业生产、生物医疗、智能机器人以及航空航天等领域具有巨大的应用前景。然而,目前的仿生可逆黏附材料往往需要通过可重复的形变过程来调整黏附材料与基底之间的接触面积,从而控制材料黏附性能。但在此过程中,黏附材料上微纳米结构的反复形变过程会导致材料疲劳,降低黏附材料的使用寿命。

  为避免这种情况,武汉大学动力与机械学院、工业科学研究院薛龙建教授课题组(NISE-Lab),基于对石墨烯/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料的深入研究[1],提出一种基于PDMS分子链构象调节的远程可控结构黏附材料的新设计原理。

图1 (a)BGPP的制备过程示意图;(b)GP支持层和(c)PDMS柱状阵列在明场(左侧)和暗场(右侧)下的光学显微镜图片。

  根据这种原理,该课题组使用石墨烯/PDMS复合材料(GP)作为支持层,纯PDMS作为微米柱状阵列,设计出一种新型结构黏附材料BGPP。BGPP具有光控黏附性能,在强度为64 mW/cm2紫外光照射下,材料黏附力迅速升高至无光照时的240%;移除光照又可以迅速回复到初始状态。由于黏附力转换过程没有黏附结构的宏/微观变形,BGPP的黏附稳定性和转换稳定性均非常好,在50次循环后材料黏附性能没有变化。

图2(a)BGPP在水平表面的剪切黏附力测试示意图(上)和实物图(下);(b)不同结构黏附材料在UV-on和UV-off状态的黏附力;(c)BGPP黏附力在紫外光照(UV-on)和移除光照(UV-off)条件下的周期变化。

  通过原子力显微镜(AFM)对黏附材料纳米尺度黏附性能进行研究,BGPP在光照时黏附性能的提升主要基于以下两个方面:(1)紫外光辐照下,石墨烯的光热效应使得柱状PDMS阵列的温度升高, PDMS分子链的熵值增加,PDMS分子链趋向于卷曲状态,提高PDMS分子链与对应基底的接触几率;(2)BGPP在受到剪切力作用时,柱状阵列末端的PDMS分子链沿剪切方向伸展并取向,使得分子链与对应基底的接触点数量增加,进一步增强BGPP的黏附性能。

图3(a)AFM测试PDMS表面纳米尺度黏附性能的典型力-位移曲线,其中方框内曲线被放大并标注出黏附力(Fad)、黏附功(Wad)和脱离长度(L);(b)室温(RT)和120 oC时BGPPFadWad;(c)AFM测试中温度升高接触点增加的机理示意图;(d)在剪切过程PDMS分子链取向导致黏附力增加的机理示意图。

  此外,由于BGPP的疏水性,其具有良好的自清洁能力。结合BGPP的可逆黏附和自清洁性性能,可将其作为玩具车的光控制动器。当处于紫外辐照条件下时,玩具车在BGPP的牵制下可以在30°下坡表面稳定停泊;关闭紫外辐照后,小车可以在3 s内开始运动。该过程中即使BGPP样品被灰尘污染,经过简单的冲洗过程,其又可以恢复功能性,具有很好的可循环效果。

图4(a)BGPP自清洁性能。图I到IV分别代表BGPP的初始状态、沾灰状态、清洗过程以及清洗后状态。图I中嵌入的是BGPP表面的水接触角。(b)BGPP在(a)中I、II和IV状态时的黏附力。(c)BGPP作为光控刹车控制玩具小车运动。

  该研究提供的远程可控智能结构黏附材料的设计原则,可以扩展应用于其他橡胶材料,具有很大的应用潜力。

  上述成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上,论文的第一作者为武汉大学动力与机械学院博士生汪鑫,通讯作者为薛龙建教授。该研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的支持。

  NISE-Lab仿生黏附方向的研究还发表在Small 2019, 1904248、ACS Nano 2017, 11, 9711、Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499、Nat. Commun. 2015, 6, 6621、Nano Lett., 2013, 13, 5541等国际顶尖期刊上,并出版专著《Bio-Inspired Structured Adhesives》(共同主编,Springer出版社)。

  相关论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b14940

  参考文献:

  [1] Xin Wang, Zhekun Shi, Fandong Meng, Yan Zhao, Zhongshuai Wu, Yifeng Lei, Longjian Xue* Interfacial interaction-induced temperature-dependent mechanical property of graphene-PDMS nanocomposite  J. Mater. Sci. 2020, 55 1553-1561

  https://link_springer.xilesou.top/article/10.1007/s10853-019-04126-y

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(责任编辑:xu)
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