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发现树蛙脚上的“秘密”

薛龙建课题组仿生黏附研究取得突破

时间:2017年10月09日 发布者: 来源: 查看次数:429

新闻网讯通讯员唐斌国际材料领域权威期刊ACS Nano(《美国化学会 纳米》(影响因子13.942)刊发了我校动力与机械学院青年千人薛龙建教授关于仿生黏附的研究成果,并被选为亮点报道在美国化学学会网站头条位置展示。

论文题为Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog《复合表面结构模仿树蛙脚的黏附行为》。薛龙建为第一作者。

据了解,树蛙等动物在潮湿的环境下生活,可以在植物叶面上以及叶面之间自由地跳跃、爬行。在这个过程中,树蛙主要依赖的是脚趾的黏附与摩擦力。而蛙脚的黏附与摩擦力主要由其脚趾的微观结构以及粘液决定。

研究人员前期发现,树蛙等蛙类脚趾上的微观结构主要表现为五边形和六边形,且多边形之间存在几微米宽的沟道。这些沟道能将接触界面处的液体排到接触界面之外,从而实现固体和固体之间的直接接触,获得较高的黏附或摩擦力。最新研究发现,某些树蛙脚上的多边形结构其实是由角蛋白纳米纤维束组成。

受此启发,薛龙建课题组制备了一种微纳复合六边形柱状阵列。这种结构由模量较高的聚苯乙烯(PS)纳米棒以及柔软的硅橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)组成,PS纳米棒垂直分布在PDMS的正六边形柱状阵列中。当PSPDMS之间有化学键相互连接时,应力可以在两种材料间有效传递。

当复合柱状阵列从接触表面脱离时,PS纳米棒的存在使得最大应力的位置从微米柱的边缘向中心移动,且应力最小值分布在微米柱的边缘。这样的应力分布有效抑制了接触界面的分离从微米柱的边缘开始,提高了结构的黏附力。增强的黏附力和相对较高的结构刚度则增强了结构的摩擦力。在仿生柱状黏附结构中实现了黏附力与摩擦力的同步增强。

这一研究成果具有可操作性,便于扩展到其它的材料体系。对于树蛙脚趾表面结构的模仿说明了这种复合结构对于树蛙生存的重要意义,进一步推进了人们对于仿生黏附的认知。

近年来,薛龙建与国外高水平研究团队合作,在仿生柱状黏附材料领域取得了大量研究成果。相关工作发表在Nature Communications(《自然通讯》)、Nano Letters(《纳米快报》)、Advanced Functional Materials(《先进功能材料》)等杂志上。

论文地址http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b04994

(编辑:陈丽霞)

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