結合模仿兩種或兩種以上生物的特征，可以創造出超越其原型生物特性的新材料或裝置，甚至獲得原型生物中不存在的新性能。受壁虎剛毛的啟發，具有T型末端結構的微納米柱狀陣列是最具影響的結構（圖1A-B）。它可以降低結構的有效模量，增大接觸面積，調控界面的應力分布，從而提高結構的黏附力。另一方面，有研究表明樹蛙腳掌的模量從表面向內部逐漸降低（圖1C-D），這樣的模量梯度有助于提高黏附力和提高結構的耐磨性。受這兩種動物黏附結構特征的啟發，武漢大學動力與機械學院、工業科學研究院薛龍建教授課題組（NISE-Lab）將兩者結合起來，構建了新型黏附結構（圖1E）。
圖1 TG的設計原理。（a）壁虎示意圖；（b）由壁虎啟發的帶T形的微米柱狀陣列示意圖；（c）樹蛙示意圖；（d）由樹蛙啟發的梯度模量的柱狀陣列；（e）受壁虎和樹蛙啟發的帶T形末端的梯度模量復合微米柱狀陣列。
利用CaCO3納米顆粒與基體聚二甲基硅氧烷（PDMS）的密度差，結合軟印刷技術與離心法，使得CaCO3納米顆粒梯度地分布在PDMS微米柱內部，即：微米柱的頂端含有較多的CaCO3納米顆粒，模量較大；含有較少CaCO3納米顆粒的微米柱底部的模量較小，實現了微米柱沿柱體高度方向模量的梯度變化；通過調控CaCO3納米顆粒的含量和離心轉速和時間可以進一步調控模量梯度。進一步采用墨印技術在微米柱頂端形成T形結構，從而制備出具有梯度彈性模量的T形微米柱陣列（TG）（圖2）。
圖2 TG的制備過程及形貌。（a）聚氨酯（PU）孔洞模板；（b）將混合物前驅體澆注到PU模板孔洞中；（c）通過離心法使納米顆粒在模板孔洞中形成梯度分布；（d）固化后脫模得到具有模量梯度的復合柱狀陣列黏附墊；（e）經過墨印技術得到T形末端。
圖3 （A）Vcal為0 vol%（TH）、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs樣品在不同梯度率下的Fad。（B）有限元仿真模擬脫離前TG的應力分布3D圖。（C）模擬脫離前TP、TH和TG在分離界面沿徑向的應力分布曲線。（D）Vcal為0 vol%（TH）、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs樣品在不同梯度率下的Ff。（E）不同的剪切力F下，TG、TH和TP的接觸面的光學顯微鏡照片。紅圈代表微米柱末端發生彎曲前的位置，箭頭代表發生彎曲的方向。陰影部分表示的是標準差。
在微米柱中引入模量梯度后，微米柱的黏附力（Fad）和摩擦力（Ff）都得到了大幅度的提升。當CaCO3體積分數（Vcal）為14.6 vol%和梯度率為403.4 kPa /μm時，TG的Fad （218.1 ± 3.5 kPa）達到具有T形PDMS微米柱狀陣列（傳統的仿壁虎剛毛結構）Fad的4.6倍（圖3A）。TG柔軟的底部降低了局部彎曲剛度，從而允許微米柱頂端發生彎曲，有助于其與不平或者未對齊的表面形成更好的接觸。TG頂部模量大，增強了脫黏時的最大應力；同時模量梯度大幅度降低了脫黏時分離界面邊緣的應力集中，并將最大應力往分離界面的中心轉移（圖3B-C）。這種應力分布使得脫黏過程開始于接觸區域的中心部分，然后再向外傳播，直至整個接觸區域。同時，TG的Ff增加到970.1 ± 56.6 mN，達到T形PDMS微米柱狀陣列的2.4倍（圖3D）。這是由于在摩擦過程中，TG的黏附性能好且底部柔軟，有助于其在發生剪切彎曲時保持黏附在表面上（圖3E）。將模量梯度引入柔軟PDMS內部形成復合微米柱TG，由于微米柱模量的增大其結構穩定性也得到了提高。
該工作將受壁虎啟發的干態黏附劑的性能推到了一個新的高度，為超強黏附和摩擦材料提供了新的設計原理和制造技術。該工作以“Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog”為題發表在Small, 2020, 2005493上，武漢大學動力與機械學院博士生劉權、譚迪和孟凡棟為共同第一作者，通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃項目的支持。
NISE-Lab長期致力于仿生黏附材料（固固界面、固液界面、固液固界面）的相關研究，相關成果還發表在Adv. Sci., 2020, 2001650、 Mater. Today, 2020, 35, 42、Small, 2019, 1904248、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 46337、ACS Nano, 2017, 11, 9711、Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 1499、Nat. Commun., 2015, 6, 6621、Nano Lett., 2013, 13, 5541等國際頂尖期刊以及書籍《Bio-Inspired Structured Adhesives》（Springer, 2017）。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202005493
NISE-Lab 課題組網站：http://niselab.whu.edu.cn/
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