不同的构型会改变硅胶材料的粘附作用，这种硅胶材料表面被赋予了像蘑菇一样的结构。粘附力最强的是被弯曲成“凹形”的时候（右一）
图源： Emre Kizilkan
来源：基尔大学（Kiel University）
摘要：一个研究团队受甲虫足启发，成功地显著提升了一种硅胶材料的黏附作用。另外，他们发现带有这种结构的材料如果被弯曲至不同的角度，粘合性也会发生大幅的改变。他们的研究结果可能对小型机器人和抓取装置的发展很有利。
壁虎、蜘蛛和甲虫已经向我们展示了这种黏附作用是如何实现的：由于它们脚上的特殊粘附元件，它们能够轻易地在天花板或墙壁上奔跑，仿生学尝试模拟和控制这种生物学功能，用于技术应用和人工材料。来自基尔大学（Kiel University）的研究团队现已成功显著提升了一种硅胶材料的粘附作用，他们结合了两种方法来实现这种功能：首先，他们对硅胶表面赋予了一种基于甲虫足实例的微结构，随后进行等离子处理。另外，他们发现这种带结构的材料的粘附性，会随弯曲至不同的角度而发生大幅改变。在其它领域的应用中，他们的结果可能对小型机器人和抓取装置的发展很有利。他们的研究成果已经刊登在了最新一期的学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）和《美国化学学会应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上。
弹性合成材料比如有机硅弹性体在工业上很受欢迎，它们灵活、可重复使用、便宜而且易于生产，因此被用于密封、绝缘或者腐蚀保护。然而，由于表面能低，它们几乎没有粘性，这就使有机硅的表面着色变得很困难。
带有蘑菇状微结构使粘附性更好
来自功能形态学和生物力学工作小组的Stanislav N. Gorb和Emre Kizilkan教授，正在研究如何提升有机硅弹性体的粘接性能。他们仿生的实例是一种雄性叶甲（叶甲科）的表面结构，这种结构看起来像是蘑菇。在最近的两项研究中，他们发现有机硅弹性体在表面修饰成蘑菇状结构，并随后经特定的等离子体处理后粘接性能最佳，等离子体指的是带电的气体，它是除固态、气态和液态外物质的第四状态。因此，研究人员结合了几何学和化学方法来仿生，除此之外，他们表示材料的弯曲度也影响着粘性。
“动物和植物给我们提供了大量令人难以置信的特点，我们想将这些特点背后的机理转移到人工材料上，以通过有针对性的方式控制它们的行为，”动物学家Gorb说，他们的目标是一种在微观范围内的可逆附着，这种附着不再需要传统的胶水实现，它将使一些全新的可能性变成可能——比如在微电子学上。
在实验测试中有机硅被弯曲了
首先，研究人员准备了三种不同表面的有机硅弹性体：一种没有表面结构，一种带有柱状元素，第三种带有蘑菇状的结构。他们使用显微操作器将一个玻璃球粘在表面上，然后再拿走它，他们测试当材料弯成凸状（向内弯）和凹状（向外弯）时黏附作用是如何改变的，“以这种方式，我们能够解释带有蘑菇状结构和凹状弯曲的有机硅材料具有双倍的粘附力，”研究的第一作者，博士研究员Emre Kizilkan说，“有了这种表面结构，我们可以最大程度改变和控制材料的粘附性。”
对材料友好的等离子处理的具体参数
第二步，科学家们用等离子处理有机硅弹性体，这种方法经常用于功能弹性材料，为了增加它们的表面能并提高粘附性能，相比于其它采用液体的方法，等离子处理可以保证材料更长的寿命——然而，等离子处理通常会损坏材料的表面。
为了查明等离子处理如何可以显著提高材料的粘附性而不损坏它，科学家们改变了不同的参数，比如持续时间或压力，他们发现未经处理的表面在玻璃衬底上的粘附性增加了大约30%，在蘑菇状结构表面上粘附性甚至增加了多达91%。“这些发现格外使我们惊喜，因为带结构的表面只有非结构化表面的一半大，但是在等离子处理后，粘性增强效果却达到了甚至3倍。” Kizilkan解释道。
告诉摄影机的录像告诉我们，当等离子处理和未处理的带结构表面上从玻璃衬底上离开时发生了什么：由于表面能高，等离子处理的微结构依然能够和玻璃表面保持50.6秒的接触，然而，在分离过程中，未经处理的微结构的接触区域迅速减少三分之一，这就是微结构在33秒后从玻璃衬底上完全分离的原因。
特别适用于微电子领域
“我们因此拥有了微小区域的极强粘附能力，并且粘附力可调节的范围广泛，”材料科学家Kizilkanz总结道，对于小规模应用，例如微型机器人来说，这就使得结果格外有趣。基尔大学工作组的这个发现已经推动了超强胶带的发展，这种胶带的功能是基于“壁虎原理”的，能够在没有任何残留的情况下移除。
翻译：王格
京公网安备11010502039775号
