基于爬山虎吸盘粘附作用的新型功能材料设计制备

我们的前期研究表明，爬山虎的吸盘由于组成的多样性以及海绵状和阵列柱状结构而在各种表面都能够稳固地粘附，是很有希望的新型仿生材料体系。揭示和阐明吸盘的化学组成与微结构的关系及其粘附机理是新型功能材料设计和制备的基础，因而本课题提出进一步开展基于爬山虎吸盘粘附作用的新型功能材料设计制备。主要内容：（1）采用显微结构分析确定吸盘的微结构；采用固相微萃取、溶液萃取和膜分离技术相结合的方法分离吸盘中的主要成分；用现代分析技术确定各组分的分子结构及其物理化学性能；（2）从理论上分析吸盘的化学组成、微结构和粘附性能之间的关系并进行计算机模拟，阐明和建立吸盘粘附的机理；（3）采用电化学刻蚀或电子束刻蚀方法制备金属或无机材料模板，采用模板铸造技术制备仿吸盘结构材料；对比天然吸盘和仿吸盘结构材料的性能，通过调控仿吸盘材料的组成与结构达到优化其性能。本课题将为发展新的仿生体系、设计制造新型功能材料提供科学依据。

“基于爬山虎吸盘粘附作用的新型功能材料设计制备”课题组围绕项目关键科学问题，经过三年时间的持续探索，完成课题任务，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。多孔结构在爬山虎吸盘的超强粘附性能方面发挥重要的作用。..2..我们利用多孔氧化铝为模板进行结构仿制。在制备过程中，铝表面预处理、反应电压、电解液种类及浓度、反应电流密度、反应温度、反应时间等因素对氧化铝模板的孔径大小、孔密度、管道长度等产生重要影响。通过热注塑、溶液注塑、相分离技术等方法将聚合物注入到多孔氧化铝模板中，在碱性条件下除去模板，得到具有功能性结构的聚合物材料。在这一过程中，不同的注入方法对聚合物材料的功能有很大的影响。在注塑时，通过改变升/降温速率来调整聚合物材料表面的结构变化，聚合物的浓度、溶剂的种类和反应温度均会影响到聚合物的最终结构，从而产生柱状、管状、球状多种形态结构，而且各种形态之间有明显的性能差异。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。.3..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。通过调节阳极化时间参数，得到了一种纳米线与纳米孔洞相结合的混合结构，并且处于上层的纳米线结构具有可调控的性质。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。上层是纳米束结构的样品表现出非常滑的超疏水特性，滚动角度低至1°。另外一种上层是纳米纤维金字塔形状的样品则表现出非常粘的超疏水特性，并且可粘附的水滴的体积最大可达到15μL。在较高电流密度下采用一步阳极氧化法快速的制备了具有很强机械性能的氧化铝超疏水膜。阳极化时间，阳极化电流密度和反应电解液温度对形貌，润湿性及其粘附性产生影响。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。