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2020-05-08
近日，德国马克斯·普朗克智能系统研究所科学家研发出一种仿生纤维粘合材料，在保持粘合性能的同时具有超疏液性，未来有望在生产生活中广泛用于各种被液体覆盖的表面。
壁虎脚垫上具有微米或纳米级的微纤毛阵列，顶端还有绒毛分叉，使它们能够轻松地在玻璃和墙壁等各种表面上攀爬。这种出色的附着能力基于分子间作用力等原理。近十多年来，在此基础上仿生模拟研发出的纤维粘合系统得到发展，但有个问题一直没解决，即接触界面如果有液体，就会影响粘合性能。现在，德国科学家通过蘑菇状的纤维设计解决了这一难题。
仿生纤维粘合材料在粘合中利用的是分子间作用力（又称范德华力）。仿生纤维表面和物体表面要达到接近分子级别的接触，两者之间才能产生足够的范德华力，保持粘接性能。如果接触界面有液体，例如油，因为表面张力低，油可以迅速润湿表面，通常会散布在纤维细毛上和细毛之间，使它们聚在一起并失去粘合力。
马克斯·普朗克智能系统研究所的维勒·利马泰宁博士和梅丁·西蒂教授等人针对性地研发出一种具有超疏液性的仿生纤维粘合材料。利马泰宁博士介绍说：“我们开发出特殊的蘑菇形绒毛结构，这样的材料不仅可以排斥水，而且可以有效地排斥任何液体，包括油，并且始终保持粘合力”。
纤维尖端的精致设计是这种材料可以抗油的关键。在材料制造过程中，科学家使用了双光子激光光刻技术。利马泰宁博士解释说：“即使在表面张力非常低的情况下，纤维尖端的T形悬垂（类似蘑菇）也可以支撑住液体，这是实现超疏液性的原因。”纤维尖端这一T形悬垂的高度约为40微米，帽的直径约为28微米，帽下方最小直径约为10微米。这样的结构使得液体散布到纤维尖端时，由于表面张力具有向上的分量，可以防止液体在两根纤维之间滑落。
该研究结合了蘑菇形纤维阵列的有效粘附原理和基于双凹角纤维尖端几何形状的疏液性，使纤维尖端表面保持光滑，以获得很高的干附着力，并且不涉及表面化学修饰，具有弹性和可拉伸性。西蒂教授补充说：“受壁虎启发的纤维粘合材料现在能够粘附到任何潮湿的表面上而不会损失粘合力。例如，攀爬机器人将能够使用这种粘合材料来攀爬湿玻璃板。工业应用上，涂有这种材料的机器人手，可以抓住任何被液体覆盖的物体，然后再放下。”（记者李山）
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