从爬山虎吸盘粘附到新型功能材料创制

Some basic scientific questions such as structural characteristic, chemical composition, correlation between adhesive effect and structure and composition, adhesive mechanism and structure preparation based on disc included in the project proposed in three years ago will be finished by the end of this year. Through nearly 3 years, our investigations found that this interesting phenomena has basic science significence and application value . In order to make more finding and breakign through in this new adhesive system, we specially propose this project. The main works are as follow: 1, the essence for the super adhesive effect will be made clear in molecular level. The theory model for adhesive mechanism will be proposed and set up. The application for adsive will be explored. 2, On one hand, using the natural disc as templete, on the other hand, preparing templete by etching in the laboratory, the bionic structure material will be created and made by the template technique. The surface structure and 3D structure will be measured using various modern technology including synchronization diffraction. Their functional properties will be tested. 3, By the combination of the structure controll, choice of foundation material and surface chemical modification, optimizing the property for the created material and finding their application. This project obtained the inspiration from nature, creating and making new kind functonal material in the foundation of basic science question investigating, which has not only academic significence but also practical application value.

今年底将结题的面上项目已经解决的基本问题包括爬山虎吸盘的结构特征、化学组成多样性、粘附作用与结构和组分的关系、粘附机制等，经过近3年时间的探索发现吸盘粘附这一有趣自然现象既具有基础科学意义，又具有实际应用价值，为了在这一新型粘附体系领域有更多的发现和突破，我们特别提出本项目申请。主要工作：1. 从分子层次揭示吸盘具有超级粘附作用的本质，提出和建立吸盘粘附机理的理论模型，探索吸盘粘附的实际应用。2. 一方面以天然吸盘为模板，另一方面通过实验室分级刻蚀制备模板，采用模板铸造技术创制仿吸盘结构材料，借助包括同步辐射在内的多种技术分析创制材料的表面结构和三维体相结构，测试创制材料的功能性。3. 通过结构调控、基质材料选择和表面化学修饰的有效结合，优化创制材料的性能进而寻求其实际应用。本项目从自然现象获取灵感，在探究基础科学问题的基础上创制新型功能材料，既具有重要的学术意义又具有广泛的实际应用价值。

“从爬山虎吸盘粘附到新型功能材料创制”项目组围绕关键科学问题，经过四年时间的持续探索，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. 在爬行植物研究中首次采用同步辐射X-射线成像技术，实现了爬山虎吸盘粘附系统的三维可视化，无损呈现出吸盘的解剖学细节和内部特征。运用组织化学技术鉴定了吸盘内高X-射线衰减的颗粒物质为草酸钙针晶体。晶体的三维分布与定量分析表明，晶体集中分布在靠近基底的区域，有利于增强吸盘的稳定性。爬山虎成熟吸盘内各组织实现了结构和功能上的最优化，富含粘液的表皮、分布晶体的皮层、木质部发达的维管柱构成了多级的强化机制，有效避免了吸盘内部失效的发生，最大程度上保证了吸盘的持久性。.2. 采用经济而又高效的一次阳极化方法结合低表面能物质修饰制备了具有一系列优异性能的大面积超疏水氧化铝涂层。系统研究了反应参数包括阳极化时间、阳极化电流密度、反应液温度对表面形貌和表面润湿性的影响。通过一步阳极化反应快速制备了具有分级粗糙结构的氧化铝试样。当这种粗糙结构与低表面能物质相结合时可以使得氧化铝表面取得优异的疏水性能和极滑的滚动性能。分别采用两种不同的低表面能物质修饰所得到的粗糙表面，确定这两种不同超疏水表面的化学稳定性和机械持久性能。测试结果表明，相比于硬脂酸修饰的超疏水表面，被全氟三乙氧基修饰的表面有着良好的化学稳定性和较强的机械持久性。.3. 通过一步煅烧PDMS，制备出超疏水粉末以及在空气中和油中都透明的超疏水表面（TSS）。在不同条件下，沉积在玻璃表面的PDMS灰不同程度地降解。因此，可以控制加热的时间和温度调节润湿性。TSS表面可以排斥强腐蚀性的王水和饱和氢氧化钠，并且，在化学和机械磨损后保持良好的超疏水性能。羟基锡酸锌粒子（ZHS）压入PDMS溶液中，固化后可以得到空气中和油下都具有超疏水的PDMS/ZHS涂层。PDMS不仅是低表面能物质，还提供了粘合力，使得涂层可以稳定地涂覆在多种不同的基底上。ZHS为涂层提供了阻燃性。因此，PDMS/ZHS涂层在极限氧指数、垂直燃烧试验和锥形量热仪试验中都表现出良好的阻燃性能。