我們總希望自己能像蜘蛛俠等超級(jí)英雄一樣，擁有各種超能力；其中，在垂直墻壁上甚至是天花板上爬行是距離現(xiàn)實(shí)世界最近的“超能力”之一。在自然界中，壁虎是最出色的攀爬高手之一。壁虎能夠牢固地黏附在各種墻壁甚至天花板上，同時(shí)又能夠很快地從黏附表面脫離，實(shí)現(xiàn)快速的爬行。仿壁虎的可逆黏附材料在智能機(jī)器人、航空航天、生物醫(yī)療以及半導(dǎo)體等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)我們的超級(jí)英雄夢(mèng)。目前，仿壁虎可逆黏附結(jié)構(gòu)在不同粗糙表面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)黏附和可控輕松脫離依然存在挑戰(zhàn)，這也是阻礙仿壁虎可逆黏附材料實(shí)際應(yīng)用的最大阻礙。
圖1 (a)爬山虎和(b)壁虎的腳
壁虎能獲得強(qiáng)黏附力的秘密在于其腳趾上的微納剛毛結(jié)構(gòu)：能夠在不同表面形成很多的接觸點(diǎn)，獲得遠(yuǎn)超于其體重的黏附力。而剛毛的傾斜、非對(duì)稱結(jié)構(gòu)結(jié)合腳趾末端的上翹動(dòng)作使得其可以從黏附表面輕松脫離。另一方面，爬山虎為了獲取更多的陽光，進(jìn)化出能夠在粗糙表面形成超強(qiáng)黏附的黏附墊。爬山虎通過黏附墊分泌粘液到粗糙表面的間隙中，然后木質(zhì)化粘液，從而使其黏附墊鎖定在粗糙表面，獲得極強(qiáng)的黏附力。武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院薛龍建教授課題組（NISE-Lab）結(jié)合爬山虎黏附與壁虎黏附的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種仿生微米柱陣列黏附墊，能在光滑以及均方根粗糙度高達(dá)4.3 μm的表面實(shí)現(xiàn)可逆黏附。
圖2 形狀記憶樹脂仿生微米柱陣列黏附墊制備流程: (a) PDMS 模板，(b)往PDMS模板上澆筑石墨烯復(fù)合形狀記憶樹脂，(c) 加上PU支撐層，(d)脫模得到SMP微米柱陣列，(e) SEM 和(f) 3D輪廓儀照片
新型可逆黏附墊使用形狀記憶環(huán)氧樹脂（SMP）作為微米柱陣列，聚氨酯（PU）作為支撐層。調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂單體與交聯(lián)劑的比例，獲得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）在~30 ℃的SMP。在SMP中加入石墨烯（石墨烯具有光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)），利用紫外光照射使得SMP的溫度在Tg上下變化，從而改變其儲(chǔ)能模量：無光照時(shí)，SMP微米柱溫度為室溫，模量為1400 MPa；光照時(shí)，溫度升高到50 ℃，模量急劇降低到5 MPa。因此，在光照時(shí)接觸粗糙表面，SMP微米柱發(fā)生塑性變形，順應(yīng)粗糙表面的微觀結(jié)構(gòu)，形成緊密的接觸。無光照時(shí)進(jìn)行脫離，其應(yīng)力承受能力大幅升高；同時(shí)，界面應(yīng)力均勻分布于整個(gè)接觸表面，從而在多種粗糙度表面獲得了~250 kPa的黏附強(qiáng)度，2.5倍于壁虎黏附強(qiáng)度（100 kPa）。大黏附強(qiáng)度可以保證在獲得同樣黏附力的基礎(chǔ)上只需要較小的接觸面積，為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)黏附的實(shí)用性提供保障。在光照時(shí)脫離，SMP微米柱溫度為50 ℃，微米柱容易發(fā)生變形，在粗糙界面上產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得脫離黏附只需要很小的力。高黏附狀態(tài)和低黏附狀態(tài)的比值（開關(guān)比）高達(dá)25；實(shí)現(xiàn)了在兩種狀態(tài)的光控可逆轉(zhuǎn)換。
圖3 (a) SMP仿生微米柱陣列黏附墊在不同粗糙表面、不同負(fù)載下的黏附強(qiáng)度，(b) 通過紫外線照射的開和關(guān)，實(shí)現(xiàn)在粗糙表面(3.22 μm)上黏附的可逆調(diào)控。
由于SMP的形狀記憶效應(yīng)，這種新型SMP可逆黏附墊擁有很好的耐久性。由于SMP微米柱陣列在接觸時(shí)會(huì)發(fā)生塑性變形以適應(yīng)粗糙表面，在脫離之后SMP微米柱會(huì)形成與接觸表面一樣的形貌，變得很粗糙。利用SMP的形狀記憶效應(yīng)，在溫度高于Tg時(shí)，SMP發(fā)生相變，在沒有外力約束時(shí)恢復(fù)到原始形狀。因此，只需在脫離后進(jìn)行加熱處理就可以保證SMP能夠長期保持最初的黏附強(qiáng)度。
圖4 (a) 在毛玻璃測試黏附力后的SMP仿生微米柱陣列，(b)完成自恢復(fù)后的SMP仿生微米柱陣列
通過結(jié)合爬山虎與壁虎黏附特點(diǎn)設(shè)計(jì)的仿生黏附墊實(shí)現(xiàn)了在光滑與粗糙表面的光控可逆黏附，同時(shí)擁有2.5倍于壁虎腳的強(qiáng)黏附力、高達(dá)25的黏附力開關(guān)比以及高耐用性。由于環(huán)氧樹脂原材料價(jià)格低廉，模板法制備過程簡單，這種仿生可逆黏附墊具有非常好的應(yīng)用前景。
上述成果發(fā)表在Small（small, 2019, 1904248）上，論文的第一作者為武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生譚迪，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201904248
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