耐失稳锥形纳米管黏附阵列的化学制备及性能研究

Bio-inspired adhesives based on micro/nano-pillar arrays exhibited strong adhesion and no-residue properties. High aspect-ratio adhesive arrays could improve the adhesive properties significantly based on the large mechanical compliance. Recognizing the limitation of high aspect-ratio soft polymer adhesion array prepared through physical methods, especially susceptible to cluster and collapse, we present here an enhanced buckling resistance polysiloxane adhesion array by incorporating tapered structures, which is inspired by the development of polysiloxane chemistry of one-dimensional materials science and surface science. Tapered polysiloxane pillars could offer higher stability against collapse and durable strong adhesion force especially in high aspect-ratio arrays. Chemical vapor deposition is employed to prepare the tapered nanotube arrays and trifunctional organosilane are selected as precursors. The buckling resistance element of tapered structure, along with excellent conformal contact of polysiloxane finally leads to durable and strong adhesive force. Additionally, this improved approach could use for reference to design special materials calling for adhesive requirement in aerospace.

仿生微纳阵列黏附剂可实现高强、动态黏附，近十年人们围绕提升及保持持久黏附能力进行了深入研究。提高黏附阵列的纵横比，改善微纳阵列的力学自适应能力，是提高黏附能力的有效途径。然而，高纵横比在显著提升黏附强度的同时，黏附阵列内部粘连及毛细作用力导致的丛聚甚至坍缩等结构失稳现象，严重影响了后续黏附能力。本项目针对低模量、高纵横比聚合物黏附阵列极易出现结构失稳这一难题，回避繁琐的物理制备工艺，通过化学途径引入耐失稳的锥形结构元素，构筑锥形结构聚合物黏附阵列。项目结合有机硅化学在一维结构材料与表面化学领域取得的研究进展，基于化学气相沉积构建锥形结构、高纵横比聚硅氧烷纳米管黏附阵列。聚硅氧烷材质良好的界面共形接触，协同耐失稳锥形结构元素，同等预负载下有望获得持续高强的黏附能力。此外，该途径可在复杂微结构表面共形生长黏附阵列，有望为航空航天等尖端领域有黏附需求的特材的设计提供新思路。

壁虎黏附具有独特的可逆性、可控性和无损特性，几个世纪以来备受关注。带刚毛的壁虎脚趾表现出很强的附着力，主要原因是其脚趾纤维状刚毛结构基于分裂产生更细微的接触（“接触分裂”原理）。受壁虎黏附启发，研究人员设计制备了一系列表面阵列化的仿壁虎干态黏附剂（简称微黏剂），这种微黏剂可以改善同几乎所有表面的物理相互作用（相较于同材质的平面材料）。微黏剂近年来在太空应用等方面表现出了很大的潜力，特别是在轨表面抓取技术。然而，恶劣的空间环境会对高分子材质的微黏剂的黏附性能和长期使用性能造成显著影响，如宇宙辐射和极端的高低温环境。在本研究中，我们从分子设计及合成的角度出发，在PDMS大分子中引入苯基，以破坏其大分子链的规整性，限制其低温结晶行为。研究结果显示，少量苯基的引入对向低温方向拓宽高弹态温域效果显著，进而获得了p-PDMS微黏剂在低温环境下的使用需求。