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中科院深圳先进院吴天准研究员团队研发出超疏水超疏油的高性能仿壁虎干胶

2019年04月06日 点击:

近日,中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所吴天准研究员团队开发了一种“青出于蓝而胜于蓝”的仿生微纳结构材料,该材料以低成本、可拉伸乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)高分子共聚物为衬底,利用微加工的微型蘑菇状阵列,实现了7倍于壁虎脚掌粘附力的超强粘附力,法向粘附强度可达70 N/cm2,并可反复多次使用。同时,该材料还可贴附在各种曲面上,变身自清洁薄膜,实现对油和水的150°以上接触角。相关研究成果以Reusable dry adhesives based on ethylene vinyl acetate copolymer with strong adhesion为题,作为封面论文发表在Wiley旗下Applied Polymer Science (10.1002/app.47296)上。该工作的前期成果先后获评IEEE NMDC 2015国际会议的“最佳论文”及中国微米纳米技术学术年会的“优秀口头报告奖”。 

现实生活中壁虎的神奇游墙功,自古以来引起了人们极大的兴趣。然而直到2000年,才由美国科学家首次证实其神奇的粘附力主要来自于壁虎脚掌极微细的刚毛与壁面之间的分子吸引力(范德华力)。科学家由此大开脑洞,用碳纳米管、高分子等材料模仿其微米纳米结构,开发了各种仿生干胶,并在各种暂时或反复粘附的应用中显示出巨大的优势,包括伤口敷料、精密工程、机器人、可穿戴健康监测等等。但由于当前仿生干胶存在着粘附性不高、易污染、易失效和加工成本高昂等问题,没有得到广泛应用。 


研究团队摒弃了单纯模仿壁虎刚毛的思路,采用微加工的蘑菇型结构,蘑菇型的顶部薄层不仅可显著增加柔性贴合面积,而且具备超疏水、超疏油的自清洁特性。此外,引入了可拉伸的EVA高分子材料,系统研究了这种新材料对于粘附力增强的力学模型和实验,研究了微结构尺寸、表面能等对于粘附性能影响,经不断优化,这种新型干胶展现了高粘附、自清洁、可拉伸的优异性能。基于团队自主开发的软复制工艺(Journal of Materials Chemistry A 2014),使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为高结构保真度的中间模板,将较为昂贵的硅片或光刻胶的精细微结构,精确地转移到成千上万个廉价塑料材料上,从而大幅降低成本。 


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自清洁仿生壁虎干胶的性能及效果。(a)仿生干胶作为自清洁薄膜,可使得塑料曲面具备超疏水超疏油特性。(b)仿生干胶可承受100g重力。(c)微加工蘑菇型阵列。(d)考虑可拉伸特性的粘附/脱附模型。(e)论文封面效果图,以蘑菇、雨水、油漆、壁虎、绳索等形象表达新型仿生干胶的疏水疏油、可拉伸、高粘附等特点。


吴天准研究员长期从事微机电系统(MEMS)的创新工艺、材料和器件研究,是该领域顶尖会议IEEE MEMS2019/2020的技术委员会中仅有的两名中国大陆委员之一。近年来其领导的团队致力于MEMS与仿生系统的整合研究和应用,如模仿并超越荷叶疏水效果的超疏液表面(Journal of Physics Chemistry C 2015; Sensors and Actuators B 2017),模仿沙漠甲虫的亲疏水阵列开发自组装涂层(Soft Matter 2013),模仿猪笼草瓶口的超滑表面(Sensors and Actuators B 2016)及新颖的液体/微珠高通量操控技术(MicroTAS 2018; IEEE MEMS 2019),以及模仿视网膜功能的人工视网膜神经假体(Electrochimica Acta 2017-5; Advanced Materials Technologies 2017-8)。 


上述研究得到了国家自然科学基金、广东省及深圳市相关研究项目的支持。


论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/toc/10974628/2019/136/13


来源:中科院深圳先进院

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