爬山虎吸盘与基材强界面区形成行为与仿生机理研究

The adsorption characteristics between ivy suckers and inorganic substrates have attracted many researchers. Former researchers conduct experimental analysis mainly from a botanical perspective. They seldom focus on the angle of structural adhesive materials and structures, rarely the bonding mechanism. There is a strong interfacial zone between Ivy suckers and substrate material, the single suction cup can withstand a pull of its own weight of 2.8 million times, every square centimeter of the interface to stand the force up to of 1120 N, which provide a new way for innovation in new structural adhesives and bonding mechanism. Our research group has carried out some work in climbing Boston ivy sucker micro-structure characterization, and bionic building of cemented structure. Based on that, this project will focus on the responsibility/adaptability and timeliness principle of the secretion of climbing Boston ivy sucker on different base material, analyze the main factors on the formation of strong interface area and quantitative effect. Then the research will explore the collaborative evolution and build process of the whole interface region of materials and structures. Eventually, the project will clear the formation behavior and evolution mechanism of climbing Boston ivy sucker and base material strong interface district, which laid the bionics foundation of innovation in designing structural adhesives and bonding principles.

爬山虎吸盘与无机材料基底的吸附特性被许多研究人员关注，之前的研究人员主要从植物学角度进行了实验分析，但从结构胶黏剂材料与结构角度，尤其是界面粘接机理角度的研究的较少。爬山虎吸盘与基底之间具有强界面区，其单个吸盘可承受拉力为自身重量的280万倍，每平方厘米承担的剪切力高达1120N，为新型结构胶黏剂与胶接机理的创新提供了新的途径。课题组在爬山虎吸盘微结构表征、胶接结构仿生构筑方面开展了一些工作，在此基础上，本项目将重点研究爬山虎吸盘的分泌物针对不同基材的响应性/适应性与时效性原理，分析影响强界面区形成的主要因素与量化效应，进而影响整个界面区域的材料、结构的协同演化与构筑过程，最终明晰爬山虎吸盘与基材强界面区的形成行为与演化机制，为结构胶黏剂设计与粘接机理的创新奠定仿生机理基础。

本文研究了自然界中存在的超强粘接现象——爬山虎吸盘的黏附，通过设计对比实验，对爬山虎吸盘与基材界面的形态、微观结构，以及爬山虎吸盘分析物的化学成分进行了分析。 研究发现爬山虎的卷须结构是一个整体，内部中空，存在管状的传输结构，在头部膨大为吸盘，表面有大量褶皱，内部含有其最终分泌物的前体，该前体在接触空气后可能会形成针状的纳米结构。在扫描电镜下，可以观察到分泌物的粘合行为，对PVC 材料可能有溶解粘结作用，类比于电焊；而对金属表面，褶皱仍然保持了相对比较完整的结构；对于石灰墙面，则可以观察到分泌物形成的混合物，推测其形成了复杂的混合黏附质。对比分析发现当爬山虎吸盘接触基材后，极性化合物含量明显增加，可产生大量的氢键，推测氢键的作用力在爬山虎吸附的过程中可能起到了一定的作用。而在接触不同基材后，爬山虎吸盘的液相色谱图并无明显差异。说明对于可溶于甲醇-氯仿溶液的爬山虎吸盘分泌物并未表现出明显的响应性。通过对爬山虎吸盘对墙壁的超强粘附作用的机理研究，进行仿生实验，对现有的胶黏剂和胶结技术进行改善和补充，获取具有更高粘结性能的结构胶黏剂以及相应的胶结技术，模仿其作用机理，尝试通过在选定的胶黏剂中加入纳米粒子来提高胶粘强度。整个实验验证了爬山虎仿生的可行性，同时也间接展示了以爬山虎吸盘为研究对象的仿生学的光明前景。