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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)出全方位的運動能力。這種優(yōu)異的運動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)：壁虎在運動過程中，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滑動時可以在接觸表面形成大量有效接觸點，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，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)，人們設(shè)計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可重復(fù)的形變過程來調(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。但在此過程中，黏附材料上微納米結(jié)構(gòu)的反復(fù)形變過程會導(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)動力與機械學(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)的遠程可控結(jié)構(gòu)黏附材料的新設(shè)計原理。

圖1 （a）B_GP_P的制備過程示意圖；（b）GP支持層和（c）PDMS柱狀陣列在明場（左側(cè)）和暗場（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，在強度為64 mW/cm²紫外光照射下，材料黏附力迅速升高至無光照時的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)換過程沒有黏附結(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)后材料黏附性能沒有變化。

圖2（a）B_GP_P在水平表面的剪切黏附力測試示意圖（上）和實物圖（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。

  通過原子力顯微鏡（AFM）對黏附材料納米尺度黏附性能進行研究，B_GP_P在光照時黏附性能的提升主要基于以下兩個方面：（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分子鏈與對應(yīng)基底的接觸幾率；（2）B_GP_P在受到剪切力作用時，柱狀陣列末端的PDMS分子鏈沿剪切方向伸展并取向，使得分子鏈與對應(yīng)基底的接觸點數(shù)量增加，進一步增強B_GP_P的黏附性能。

圖3（a）AFM測試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）和脫離長度（L）；（b）室溫（RT）和120 oC時B_GP_P的F_ad和W_ad；（c）AFM測試中溫度升高接觸點增加的機理示意圖；（d）在剪切過程PDMS分子鏈取向?qū)е吗じ搅υ黾拥臋C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器。當(dāng)處于紫外輻照條件下時，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)開始運動。該過程中即使B_GP_P樣品被灰塵污染，經(jīng)過簡單的沖洗過程，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)時的黏附力。（c）B_GP_P作為光控剎車控制玩具小車運動。

  該研究提供的遠程可控智能結(jié)構(gòu)黏附材料的設(shè)計原則，可以擴展應(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)動力與機械學(xué)院博士生汪鑫，通訊作者為薛龍建教授。該研究得到國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學(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：

  [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