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武汉大学薛龙建教授课题组发现树蛙脚趾上的秘密
2017-09-19  来源:中国聚合物网

武汉大学薛龙建教授课题组(NISE-Lab)仿树蛙脚黏附结构取得重要进展,研究成果于近期发表于《ACS Nano》,题为“Hybrid Surface Patterns Mimicking the Design of the Adhesive Toe Pad of Tree Frog”。

树蛙等动物在潮湿的环境下生活,可以在植物叶面上以及叶面之间跳跃、爬行。在这个过程中树蛙主要依赖的是它脚趾的黏附与摩擦力。树蛙脚的黏附与摩擦力主要由其脚趾上的微观结构以及粘液决定。前期研究发现树蛙等蛙类脚趾上的微观结构主要表现为五边形和六边形,且多边形之间存在几微米宽的沟道。这些沟道能将接触界面处的液体排到接触界面之外,从而实现固体和固体之间的直接接触,获得较高的黏附或摩擦力。(Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 1499–1505

最新研究发现某些树蛙脚上的多边形结构其实是由角蛋白纳米纤维束组成。受此启发,NISE-Lab制备了一种微纳复合六边形柱状阵列(如图1所示)。这种结构由模量较高的聚苯乙烯(PSE~3GPa,直径330纳米)纳米棒以及柔软的硅橡胶聚二甲基硅氧烷PDMSE~2MPa)组成;PS纳米棒垂直分布在PDMS的正六边形柱状阵列中。PSPDMS之间有化学键相互连接时,应力可以在两种材料之间有效传递。当复合柱状阵列从接触表面脱离时,PS纳米棒的存在使得最大应力的位置从微米柱的边缘向中心移动,且应力最小值分布在微米柱的边缘。这样的应力分布有效地抑制了接触界面的分离从微米柱的边缘开始,提高了结构的黏附力。而增强的黏附力和相对较高的结构刚度则增强了结构的摩擦力。在仿生柱状黏附结构中实现了黏附力与摩擦力的同步增强。

  

1. (a) 树蛙及其(b脚趾的表面结构;c仿树蛙脚复合材料及其(d)结构示意图。

这一研究工作的发表引起了广泛的关注,被选为ACS EditorsChoice进行亮点报道,同时在美国化学学会网站头条新闻展示(图2)。

 

2. 美国化学会官方网站截屏。 

该项研究课题得到国家自然科学基金的资助(51503156, 51611530546),是中国、德国、美国、西班牙相关课题组的合作研究成果。

ACS Nano原文链接:

薛龙建,中组部千人计划专家,武汉大学动力与机械学院教授,工业研究院教授。中科院取得博士学位后,作为洪堡学者、马普学者在德国长期从事科研工作。研究领域包括仿生功能材料、聚合物薄膜稳定性、聚合物薄膜图案化、微纳结构加工等。到目前为止, 已经发表包括《自然?通讯》在内的高水平SCI科研论文40余篇,获批中国专利3项,申请欧盟、美国专利各一项,中国专利多项。多次受邀为国内外专业书籍撰写相关章节,编辑相关书籍。担任十余种国际学术期刊审稿专家。

NISE-Lab欢迎具有物理、化学、材料、生物背景的学生加入,课题组常年招收博士后。课题组与德国具有广泛的合作,课题组成员有很多机会到德国、欧盟交流学习。有意者请将简历发送至:xuelongjian@whu.edu.cn

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(责任编辑:xu)
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