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深圳先進院研發出超疏水超疏油的高性能仿壁虎干膠----中國科學院深圳先進技術研究院

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院生物醫學與健康工程研究所吳天準研究員團隊開發了一種“青出于藍而勝于藍”的仿生微納結構材料,該材料以低成本、可拉伸乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)高分子共聚物為襯底,利用微加工的微型蘑菇狀陣列,實現了7倍于壁虎腳掌粘附力的超強粘附力,法向粘附強度可達70 N/cm2,并可反復多次使用。同時,該材料還可貼附在各種曲面上,變身自清潔薄膜,實現對油和水的150°以上接觸角相關研究成果以Reusable dry adhesives based on ethylene vinyl acetate copolymer with strong adhesion為題,作為封面論文發表在Wiley旗下Applied Polymer Science (10.1002/app.47296)上。該工作的前期成果先后獲評IEEE NMDC 2015國際會議的最佳論文及中國微米納米技術學術年會的優秀口頭報告獎 

  現實生活中壁虎的神奇游墻功,自古以來引起了人們極大的興趣。然而直到2000年,才由美國科學家首次證實其神奇的粘附力主要來自于壁虎腳掌極微細的剛毛與壁面之間的分子吸引力(范德華力)。科學家由此大開腦洞,用碳納米管、高分子等材料模仿其微米納米結構,開發了各種仿生干膠,并在各種暫時或反復粘附的應用中顯示出巨大的優勢,包括傷口敷料、精密工程、機器人、可穿戴健康監測等等。但由于當前仿生干膠存在著粘附性不高、易污染、易失效和加工成本高昂等問題,沒有得到廣泛應用。 

  研究團隊摒棄了單純模仿壁虎剛毛的思路,采用微加工的蘑菇型結構,蘑菇型的頂部薄層不僅可顯著增加柔性貼合面積,而且具備超疏水、超疏油的自清潔特性。此外,引入了可拉伸的EVA高分子材料,系統研究了這種新材料對于粘附力增強的力學模型和實驗,研究了微結構尺寸、表面能等對于粘附性能影響,經不斷優化,這種新型干膠展現了高粘附、自清潔、可拉伸的優異性能。基于團隊自主開發的軟復制工藝(Journal of Materials Chemistry A 2014),使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為高結構保真度的中間模板,將較為昂貴的硅片或光刻膠的精細微結構,精確地轉移到成千上萬個廉價塑料材料上,從而大幅降低成本。 

  吳天準研究員長期從事微機電系統(MEMS)的創新工藝、材料和器件研究,是該領域頂尖會議IEEE MEMS2019/2020的技術委員會中僅有的兩名中國大陸委員之一。近年來其領導的團隊致力于MEMS與仿生系統的整合研究和應用,如模仿并超越荷葉疏水效果的超疏液表面(Journal of Physics Chemistry C 2015; Sensors and Actuators B 2017),模仿沙漠甲蟲的親疏水陣列開發自組裝涂層(Soft Matter 2013),模仿豬籠草瓶口的超滑表面(Sensors and Actuators B 2016)及新穎的液體/微珠高通量操控技術(MicroTAS 2018; IEEE MEMS 2019),以及模仿視網膜功能的人工視網膜神經假體(Electrochimica Acta 2017-5; Advanced Materials Technologies 2017-8) 

  上述研究得到了國家自然科學基金、廣東省及深圳市相關研究項目的支持。 

  論文鏈接 

自清潔仿生壁虎干膠的性能及效果。(a)仿生干膠作為自清潔薄膜,可使得塑料曲面具備超疏水超疏油特性。(b)仿生干膠可承受100g重力。(c)微加工蘑菇型陣列。(d)考慮可拉伸特性的粘附/脫附模型。(e)論文封面效果圖,以蘑菇、雨水、油漆、壁虎、繩索等形象表達新型仿生干膠的疏水疏油、可拉伸、高粘附等特點。

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