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  自然界中，壁虎可以在垂直墻壁、天花板等不同的表面快速爬行，表現(xiàn)出全方位的運(yùn)動(dòng)能力。這種優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)能力與壁虎腳趾上精細(xì)的微納米剛毛結(jié)構(gòu)息息相關(guān)：壁虎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，腳趾上的剛毛結(jié)構(gòu)沿不同方向上具有不同的黏附力和摩擦力。壁虎腳趾在固體表面相對(duì)滑動(dòng)時(shí)可以在接觸表面形成大量有效接觸點(diǎn)，從而產(chǎn)生足夠大的范德華力以支撐其身體自重；而當(dāng)腳趾向上彎曲時(shí)，又能夠輕易地從接觸表面脫離。

  受壁虎剛毛結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，人們?cè)O(shè)計(jì)制備出很多仿生可逆黏附材料，在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、智能機(jī)器人以及航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。然而，目前的仿生可逆黏附材料往往需要通過(guò)可重復(fù)的形變過(guò)程來(lái)調(diào)整黏附材料與基底之間的接觸面積，從而控制材料黏附性能。但在此過(guò)程中，黏附材料上微納米結(jié)構(gòu)的反復(fù)形變過(guò)程會(huì)導(dǎo)致材料疲勞，降低黏附材料的使用壽命。

  為避免這種情況，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院薛龍建教授課題組（NISE-Lab），基于對(duì)石墨烯/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)合材料的深入研究^[1]，提出一種基于PDMS分子鏈構(gòu)象調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程可控結(jié)構(gòu)黏附材料的新設(shè)計(jì)原理。

圖1 （a）B_GP_P的制備過(guò)程示意圖；（b）GP支持層和（c）PDMS柱狀陣列在明場(chǎng)（左側(cè)）和暗場(chǎng)（右側(cè)）下的光學(xué)顯微鏡圖片。

  根據(jù)這種原理，該課題組使用石墨烯/PDMS復(fù)合材料（GP）作為支持層，純PDMS作為微米柱狀陣列，設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)黏附材料B_GP_P。B_GP_P具有光控黏附性能，在強(qiáng)度為64 mW/cm²紫外光照射下，材料黏附力迅速升高至無(wú)光照時(shí)的240%；移除光照又可以迅速回復(fù)到初始狀態(tài)。由于黏附力轉(zhuǎn)換過(guò)程沒(méi)有黏附結(jié)構(gòu)的宏/微觀變形，B_GP_P的黏附穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性均非常好，在50次循環(huán)后材料黏附性能沒(méi)有變化。

圖2（a）B_GP_P在水平表面的剪切黏附力測(cè)試示意圖（上）和實(shí)物圖（下）；（b）不同結(jié)構(gòu)黏附材料在UV-on和UV-off狀態(tài)的黏附力；（c）B_GP_P黏附力在紫外光照（UV-on）和移除光照（UV-off）條件下的周期變化。

  通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）對(duì)黏附材料納米尺度黏附性能進(jìn)行研究，B_GP_P在光照時(shí)黏附性能的提升主要基于以下兩個(gè)方面：（1）紫外光輻照下，石墨烯的光熱效應(yīng)使得柱狀PDMS陣列的溫度升高， PDMS分子鏈的熵值增加，PDMS分子鏈趨向于卷曲狀態(tài)，提高PDMS分子鏈與對(duì)應(yīng)基底的接觸幾率；（2）B_GP_P在受到剪切力作用時(shí)，柱狀陣列末端的PDMS分子鏈沿剪切方向伸展并取向，使得分子鏈與對(duì)應(yīng)基底的接觸點(diǎn)數(shù)量增加，進(jìn)一步增強(qiáng)B_GP_P的黏附性能。

圖3（a）AFM測(cè)試PDMS表面納米尺度黏附性能的典型力-位移曲線，其中方框內(nèi)曲線被放大并標(biāo)注出黏附力（F_ad）、黏附功（W_ad）和脫離長(zhǎng)度（L）；（b）室溫（RT）和120 oC時(shí)B_GP_P的F_ad和W_ad；（c）AFM測(cè)試中溫度升高接觸點(diǎn)增加的機(jī)理示意圖；（d）在剪切過(guò)程PDMS分子鏈取向?qū)е吗じ搅υ黾拥臋C(jī)理示意圖。

  此外，由于B_GP_P的疏水性，其具有良好的自清潔能力。結(jié)合B_GP_P的可逆黏附和自清潔性性能，可將其作為玩具車的光控制動(dòng)器。當(dāng)處于紫外輻照條件下時(shí)，玩具車在B_GP_P的牽制下可以在30°下坡表面穩(wěn)定停泊；關(guān)閉紫外輻照后，小車可以在3 s內(nèi)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。該過(guò)程中即使B_GP_P樣品被灰塵污染，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的沖洗過(guò)程，其又可以恢復(fù)功能性，具有很好的可循環(huán)效果。

圖4（a）B_GP_P自清潔性能。圖I到IV分別代表B_GP_P的初始狀態(tài)、沾灰狀態(tài)、清洗過(guò)程以及清洗后狀態(tài)。圖I中嵌入的是B_GP_P表面的水接觸角。（b）B_GP_P在（a）中I、II和IV狀態(tài)時(shí)的黏附力。（c）B_GP_P作為光控剎車控制玩具小車運(yùn)動(dòng)。

  該研究提供的遠(yuǎn)程可控智能結(jié)構(gòu)黏附材料的設(shè)計(jì)原則，可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他橡膠材料，具有很大的應(yīng)用潛力。

  上述成果發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上，論文的第一作者為武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生汪鑫，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  NISE-Lab仿生黏附方向的研究還發(fā)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等國(guó)際頂尖期刊上，并出版專著《Bio-Inspired Structured Adhesives》（共同主編，Springer出版社）。

  相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b14940

  參考文獻(xiàn)：

  [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