碳納米管仿生壁虎腳打造蜘蛛人
2008-10-10 來源：中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：
（a）壁虎腳的電子顯微鏡放大照片； （b）碳納米管陣列的電子顯微鏡放大照片；（c）一個（4×4）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直玻璃的表面上懸掛一瓶約650克的瓶裝可樂飲料；（d）一個（4×4）平方毫米的碳納米管陣列自吸附在垂直的砂紙表面上懸掛一個金屬鋼圈。
美國戴頓大學(xué)教授戴黎明和佐治亞理工學(xué)院教授王中林、曲良體博士等合作，用納米材料研制出一種仿生壁虎腳，它們既能在垂直的表面上輕松吸附重物，也能從不同角度輕松取下。這一最新成果發(fā)表在10月10日出版的《科學(xué)》雜志上。參與這項研究的還有夏振海教授和摩雷斯通博士。王中林指出，“這一新研究開啟了納米仿生領(lǐng)域的新篇章！
壁虎是一種攀爬型動物，能攀爬極平滑與垂直的表面，比如越過光滑的天花板。最近的研究揭示，壁虎的腳趾上附有數(shù)百萬直立的微絨毛，每個微絨毛末梢都有納米分支。當(dāng)數(shù)百萬這樣的微絨毛與物體表面接觸時，它們之間會產(chǎn)生強大的相互作用力，即范德華力，這種力的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了壁虎自身的重量，因此，壁虎能夠輕松自如地倒懸掛于天花板或墻壁表面。然而，壁虎不僅可以任意吸附在這些表面上，而且還能隨意離開物體表面。
但是，為什么如此強的吸附力不會阻礙壁虎自如行走，科學(xué)家們目前還不清楚其中的原理。納米學(xué)術(shù)界對新型納米材料的合成和應(yīng)用研究方興未艾。近年來，科學(xué)家們試圖用納米材料模擬壁虎的腳，但都局限于光滑物體的表面，且無法有效地控制強吸附和弱脫離的過程。
戴黎明和王中林對這個問題產(chǎn)生了興趣，在他們的指導(dǎo)下，曲良體創(chuàng)新地應(yīng)用結(jié)構(gòu)可控的直立型碳納米管陣列，成功研制出具有強吸附和易脫離性能的碳納米管仿生壁虎腳，使得仿生壁虎腳向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了最關(guān)鍵的一步。
王中林介紹說，碳納米管是由純碳原子組成的管狀結(jié)構(gòu)材料，管徑大小約為頭發(fā)直徑的萬分之一，因此具有尺寸小、重量輕、柔軟靈活、機械強度高、電學(xué)和熱學(xué)性能優(yōu)異等特點。利用低壓化學(xué)氣相沉積方法，曲良體等將碳納米管有機組成高密度、垂直取向的陣列膜，同時在其表面分布有任意取向的碳納米管。每平方厘米的陣列面積可包含100億個以上的直立碳納米管，這種密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壁虎腳絨毛末梢的納米分枝密度。更重要的是，這些在水平方向上任意取向的碳納米管可通過與物體表面的相互作用而取向。因此，一方面，當(dāng)與物體表面接觸時，在平行于表面的方向有更多接近線狀接觸的作用“面”，從而在沿接觸表面的方向上產(chǎn)生更強的相互作用力，單位面積的吸附力幾乎是壁虎腳所能產(chǎn)生力的10倍；另一方面，在垂直于物體表面的方向上，與表面接觸的碳納米管在外力的作用下可逐點脫離表面，吸附力因此大大減少，從而實現(xiàn)輕松脫吸附。
“更有趣的是，這些碳納米管陣列仿生壁虎腳對接觸物表面沒有什么特殊要求，不僅能在玻璃等光滑的物體表面產(chǎn)生強吸附力，而且在其他粗糙或疏水物體的表面也一樣適用。”王中林說，“如果目前的碳納米管陣列尺寸可以擴大，那么手掌大(10厘米×10厘米)的一塊仿生納米腳就可以在屋頂上懸掛一位100公斤重的人！
戴黎明和王中林認(rèn)為，這種新型的碳納米管陣列仿生壁虎腳必將在許多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，包括航空航天技術(shù)、電子封裝和高溫黏接等！翱梢灶A(yù)見，好萊塢大片《蜘蛛俠》中飛檐走壁的絕世本領(lǐng)，有望成為未來一般人都能掌握的基本技能。高空作業(yè)的工人也將無需依賴升降機就可以在高層建筑物的墻壁上自由行走。該研究是仿生學(xué)和納米技術(shù)結(jié)合的典范，是納米材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一項重大進(jìn)展！蓖踔辛终f。
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