仿爬山虎吸盘粘附作用的纳米制造

我们的前期研究显示，爬山虎吸盘的组分多样性以及海绵状和阵列柱状结构使吸盘与支撑表面具有超强的粘附作用，是新型纳米仿生体系。揭示和阐明吸盘的组成、微结构与粘附性能之间的本质联系在纳米制造中具有学术意义和研究价值，因而本课题提出进一步开展基于爬山虎吸盘粘附作用的纳米制造。主要内容：（1）采用表面和界面分析方法确定吸盘的微结构；采用固相微萃取和生物膜分离技术等方法提取吸盘中的主要成分，用多种结构分析技术确定各组分的分子结构；考察吸盘的组分对微结构和粘附性能的影响并进行理论分析和计算机模拟，阐明和建立吸盘的粘附机理；（2）将电化学刻蚀、电子束刻蚀和模板铸造技术相结合研究仿吸盘粘附作用的纳米制造，利用扫描隧道显微技术和原子力显微技术在纳米制造中的独特优势，分析仿吸盘纳米制造过程中的尺度效应、表面界面效应，通过组成调控达到性能优化。本课题将为发展基于物理/化学/生物作用原理的纳米制造技术提供科学依据。

“仿爬山虎吸盘粘附的纳米制造”课题组围绕项目关键科学问题，经过三年时间的实施完成，实现了预期目标，获得了一系列创新性研究结果：.1..研究发现爬山虎吸盘具有功能性的多孔结构，该种结构一方面利用孔道增加吸盘与粗糙型基底的接触面积；另一方面，便于储存分泌物并增强吸盘与基底的粘附能力。我们利用多孔氧化铝为模板进行结构仿制。通过多孔氧化铝倒模聚合物的方法进行仿制，研究了该种新材料的粘附性、亲疏水性等性能，得到了一系列预期的结果。.2..采用一步阳极氧化法在铝基底上制备了不同形貌的氧化铝分级结构。实验证明了这种氧化铝分级结构在不经过低能物质的修饰下就可以实现超疏水性能。更重要的是我们发现最终得到的材料表现出很大的粘附性差异。研究结果表明分级结构的出现是实现超疏水性能的必要条件。制备得到的超疏水氧化铝涂层同时也表现出很强的机械性能，在经过反复折叠，用手指用力压，用胶带反复粘附都不会影响其超疏水性能。另外，此超疏水表面对冰水、沸水、强酸、强碱、热酸、热碱、高温、有机溶剂、油污染等都有很强的抵抗力。.3..设计合成具有特殊组装基元的有机化合物，确立分子自组装结构与其性能之间的关系，实现自组装新体系的可控建立和新技术的发展。设计合成了具有不同碳链结构的芴酮衍生物和其他具有特殊结构的有机分子，研究了不同分子在基底表面及不同溶剂中的自组装形态的形成与转变过程。结合理论计算模拟分析了不同结构基元存在下，弱键相互作用的竞争导致自组装结构的变化规律。通过改变分子结构、采用不同溶剂、调节不同溶液浓度等策略措施实现了从分子自组装组织到可控阵列，揭示分子间弱键的变化与结构的关系。