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  結(jié)合模仿兩種或兩種以上生物的特征，可以創(chuàng)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(fā)，具有T型末端結(jié)構(gòu)的微納米柱狀陣列是最具影響的結(jié)構(gòu)（圖1A-B）。它可以降低結(jié)構(gòu)的有效模量，增大接觸面積，調(diào)控界面的應(yīng)力分布，從而提高結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié)構(gòu)的耐磨性。受這兩種動(dòng)物黏附結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院薛龍建教授課題組（NISE-Lab）將兩者結(jié)合起來，構(gòu)建了新型黏附結(jié)構(gòu)（圖1E）。

圖1 TG的設(shè)計(jì)原理。（a）壁虎示意圖；（b）由壁虎啟發(fā)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(fā)的梯度模量的柱狀陣列；（e）受壁虎和樹蛙啟發(fā)的帶T形末端的梯度模量復(fù)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(jié)合軟印刷技術(shù)與離心法，使得CaCO₃納米顆粒梯度地分布在PDMS微米柱內(nèi)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(shí)現(xiàn)了微米柱沿柱體高度方向模量的梯度變化；通過調(diào)控CaCO₃納米顆粒的含量和離心轉(zhuǎn)速和時(shí)間可以進(jìn)一步調(diào)控模量梯度。進(jìn)一步采用墨印技術(shù)在微米柱頂端形成T形結(jié)構(gòu)，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(qū)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(fù)合柱狀陣列黏附墊；（e）經(jīng)過墨印技術(shù)得到T形末端。

圖3 （A）V_cal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F_ad。（B）有限元仿真模擬脫離前TG的應(yīng)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(yīng)力分布曲線。（D）V_cal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F_f。（E）不同的剪切力F下，TG、TH和TP的接觸面的光學(xué)顯微鏡照片。紅圈代表微米柱末端發(fā)生彎曲前的位置，箭頭代表發(fā)生彎曲的方向。陰影部分表示的是標(biāo)準(zhǔn)差。

  在微米柱中引入模量梯度后，微米柱的黏附力（F_ad）和摩擦力（F_f）都得到了大幅度的提升。當(dāng)CaCO₃體積分?jǐn)?shù)（V_cal）為14.6 vol%和梯度率為403.4 kPa /μm時(shí)，TG的F_ad （218.1 ± 3.5 kPa）達(dá)到具有T形PDMS微米柱狀陣列（傳統(tǒng)的仿壁虎剛毛結(jié)構(gòu)）F_ad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(fā)生彎曲，有助于其與不平或者未對(duì)齊的表面形成更好的接觸。TG頂部模量大，增強(qiáng)了脫黏時(shí)的最大應(yīng)力；同時(shí)模量梯度大幅度降低了脫黏時(shí)分離界面邊緣的應(yīng)力集中，并將最大應(yīng)力往分離界面的中心轉(zhuǎn)移（圖3B-C）。這種應(yīng)力分布使得脫黏過程開始于接觸區(qū)域的中心部分，然后再向外傳播，直至整個(gè)接觸區(qū)域。同時(shí)，TG的F_f增加到970.1 ± 56.6 mN，達(dá)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(fā)生剪切彎曲時(shí)保持黏附在表面上（圖3E）。將模量梯度引入柔軟PDMS內(nèi)部形成復(fù)合微米柱TG，由于微米柱模量的增大其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也得到了提高。

  該工作將受壁虎啟發(fā)的干態(tài)黏附劑的性能推到了一個(gè)新的高度，為超強(qiáng)黏附和摩擦材料提供了新的設(shè)計(jì)原理和制造技術(shù)。該工作以“Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog”為題發(fā)表在Small, 2020, 2005493上，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生劉權(quán)、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(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

  NISE-Lab長(zhǎng)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(guān)研究，相關(guān)成果還發(fā)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(guó)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(wǎng)站：http://niselab.whu.edu.cn/