基于微尺度3D打印制備仿生功能表面在力場(chǎng)調(diào)控下實(shí)現(xiàn)黏附自清潔

是什么讓蜘蛛俠能夠飛檐走壁？又是什么讓年逾50的阿湯哥只身一人攀爬世.界第一高樓­——哈利法塔？盡管這些是科幻電影中的片段，但現(xiàn)實(shí)生活中早已有活生生的例子：壁虎。該生物不僅在潔凈基底上具有超.強(qiáng)黏附力，同時(shí)在沾滿灰塵的表面依舊能夠自由爬行，表明其黏附系統(tǒng)具有“自清潔”功能。有研究指出，壁虎之所以具有如此優(yōu)異的功能是因?yàn)槠淠_趾具有成千上萬(wàn)的鏟狀絨毛。

圖1.壁虎腳掌黏附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

近日，受壁虎行為啟發(fā)，北京理工大學(xué)*結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院的陳少華教授課題組提出了一種仿生微柱功能表面通過(guò)力場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)自清潔功能的研究。該自清潔功能表面是結(jié)合微尺度3D打印技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）制備得到，其在顆粒篩選、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。研究成果以“Self-Cleaning Performance of the Micropillar-Arrayed Surface and Its Micro-Scale Mechanical Mechanism” 為題發(fā)表在知名期刊《Langmuir》上。該研究工作由北京理工大學(xué)*結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院博士生安華貞完成。

圖2. 微柱陣列表面的實(shí)驗(yàn)制備工藝如圖(a)所示，首先通過(guò)微尺度3D打印技術(shù)（nanoArch P140，摩方精密）打印出光敏樹脂微孔陣列模具，然后倒模獲得PDMS微柱陣列表面；(b)微孔模具的激光共聚焦俯視圖；(c)微柱陣列表面的激光共聚焦三維結(jié)構(gòu)圖，其中，微柱直徑、高以及兩微柱中心距分別為180μm、550μm、280μm，該微柱的大小與3D打印的微孔模具相同；(d)微柱陣列表面的側(cè)視圖。

圖3.微柱功能表面在Load-Pull接觸過(guò)程下的自清潔性能

通過(guò)微尺度3D打印技術(shù)結(jié)合模板復(fù)制工藝制備出微柱陣列表面，在施加Load-pull的加載條件下研究了接觸壓力、顆粒尺寸等因素對(duì)微柱陣列表面自清潔行為的影響，并分析了其中的微觀力學(xué)機(jī)制。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微柱陣列表面實(shí)現(xiàn)自清潔的主要微觀力學(xué)機(jī)制為：在接觸壓力的作用下，顆粒與微柱的接觸狀態(tài)由黏附狀態(tài)改變?yōu)橐浊鍧嵉某练e狀態(tài)。此研究不僅有助于深入理解微柱陣列表面的自清潔機(jī)理，而且為自清潔功能化表面的設(shè)計(jì)及微顆粒的可控粘附與輸運(yùn)等提供技術(shù)支持。

圖4.微柱陣列表面對(duì)不同尺寸顆粒的自清潔性能及微觀機(jī)理