發(fā)布時(shí)間：2021-06-14 11:59

　　生物進(jìn)化賦予了壁虎在各種表面上出色的黏附運(yùn)動(dòng)能力。受壁虎腳掌的微/納黏附結(jié)構(gòu)啟發(fā)研制的仿生黏附材料,其黏附強(qiáng)度已優(yōu)于壁虎。但壁虎腳掌的其他綜合性能,如自清潔性、黏附可控性、可重復(fù)性等,仿生黏附材料還不具備,或者差距很大。本文對壁虎腳掌的黏附機(jī)制進(jìn)行了深入分析,為提升仿生黏附材料性能指出方向。近期研究表明,壁虎黏附過程存在接觸/摩擦電現(xiàn)象。通過對接觸/摩擦電和黏附力的同步測定,發(fā)現(xiàn)壁虎黏附性能得益于范德華力并受靜電力作用的影響。這一新的作用機(jī)制有助于理解仿生黏附材料性能局限的機(jī)理,指導(dǎo)其黏附性能的改進(jìn)。在對不同材料接觸電效應(yīng)的研究中,靜電作用對材料間相互作用力的影響也越來越多地被發(fā)現(xiàn)并量化分析,這些研究成果為仿生黏附材料黏附過程中靜電作用的量化分析奠定了理論基礎(chǔ)。碳納米管仿生黏附材料具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性質(zhì),其接觸電效應(yīng)已得到驗(yàn)證并進(jìn)行多樣化的應(yīng)用研究,這些研究成果為分析靜電作用對碳納米管仿生黏附材料的影響規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)參考。此外,基于接觸電能量轉(zhuǎn)換特性的納米摩擦發(fā)電機(jī)（TENG）已成功應(yīng)用于能量收集,TENG的快速發(fā)展為研究接觸電的原理和特性提供了實(shí)驗(yàn)平臺。本文首先對壁虎黏附機(jī)制的近期研... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報(bào). 2020,34(19)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

壁虎腳掌的分級結(jié)構(gòu):

雖然范德華力機(jī)制解釋了對于壁虎單根剛毛的黏附力的測量結(jié)果,但對實(shí)際情況而言,由于接觸面的粗糙度不同,壁虎腳掌與接觸面的實(shí)際接觸面積不一致。仿真結(jié)果顯示,需要200 nm2的匙突與接觸面的間隔小于1 nm才能產(chǎn)生足夠支撐壁虎質(zhì)量所需的范德華力[17],這對粗糙表面而言是不可能的。因此僅僅依靠范德華力機(jī)制對黏附進(jìn)行解釋是不全面的。在Prevenslik的研究[17]中,首次借助壁虎腳掌與接觸面之間產(chǎn)生的納米粒子帶來的靜電作用對壁虎黏附進(jìn)行解釋。在Izadi等的研究[18]中,利用壁虎腳掌與不同材料接觸中測量的電荷量以及黏附力,證明接觸電對壁虎黏附的有效貢獻(xiàn)(圖2)。對于之前否定靜電相互作用對壁虎黏附有貢獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)[19],應(yīng)當(dāng)注意到實(shí)驗(yàn)中使用的空氣電離只能用于消除非緊密接觸的靜電相互作用,而不是來自緊密接觸的靜電相互作用,例如壁虎腳掌接觸電驅(qū)動(dòng)的靜電相互作用。Izadi等[20]認(rèn)為,接觸電驅(qū)動(dòng)的靜電相互作用決定壁虎黏附的強(qiáng)度,而不是傳統(tǒng)上認(rèn)為的由范德華力或毛細(xì)力決定。為進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證壁虎黏附中的接觸電現(xiàn)象,Dai等[21]借助由三維力傳感器和基于電容器的電荷探測儀組成的組合傳感器單元,同步測量壁虎腳掌的黏附力和大小約幾個(gè)納庫的接觸電荷,結(jié)果表明接觸電荷與黏附力和接觸面積相關(guān)聯(lián),并且對所采集到的電荷量對應(yīng)產(chǎn)生的靜電作用力進(jìn)行量化,預(yù)期可獲得25～100 N/m2的靜電力。因此,可以推斷靜電相互作用對壁虎腳掌的黏附具有一定貢獻(xiàn)。

關(guān)于材料的相對極性,Wilcke早在1757年就首次給出接觸電序列[29],其中包含十幾種常見的材料。后來經(jīng)過許多研究人員的實(shí)驗(yàn),逐漸將更多自然的或者合成的材料按照極性的相對位置納入接觸電序列中,給出的序列如圖3所示。摩擦接觸的兩種材料的相對位置決定所帶電荷的極性以及轉(zhuǎn)移電荷的數(shù)量,通常轉(zhuǎn)移電荷的數(shù)量與材料在序列位置的間隔呈正相關(guān)。通常具有強(qiáng)摩擦帶電效應(yīng)的材料往往導(dǎo)電率較低,甚至是絕緣體,因此通常會(huì)捕獲轉(zhuǎn)移電荷并將其保留較長時(shí)間。接觸電序列的補(bǔ)充主要是基于不斷地對不同材料進(jìn)行接觸電實(shí)驗(yàn),而為揭示接觸電的機(jī)理,在對應(yīng)的接觸電理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了許多實(shí)驗(yàn),這主要聚焦于對接觸電過程的觀察與表征。為達(dá)到這一目的,使用許多方法,例如利用滾動(dòng)球體工具從電介質(zhì)盤頂部的滾動(dòng)球體收集轉(zhuǎn)移電荷[24,30],以及使用原子力顯微鏡(AFM)測量微圖案化材料接觸面的表面靜電力或電勢分布[31-33]。這些實(shí)驗(yàn)未能精確地控制接觸起電過程并且不能直接反映摩擦界面的電荷情況。而為進(jìn)一步定量理解接觸起電的過程,Wang等[34]通過結(jié)合接觸式原子力顯微鏡(AFM)和掃描開爾文探針顯微鏡(SKPM)實(shí)現(xiàn)對納米尺度上的接觸電荷的原位定量表征。系統(tǒng)地研究SiO2薄膜與AFM探針之間的摩擦電情況,通過探針涂層(Pt涂層)改變二者之間的相對極性,與接觸電序列相吻合。通過多次摩擦驗(yàn)證在SiO2薄膜表面電荷的累積,對電荷量的實(shí)時(shí)監(jiān)測表明電荷可以在絕緣體表面保留較長時(shí)間,這一量化實(shí)驗(yàn)為接觸起電和去電過程提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),同時(shí)提供一種對材料接觸電特性進(jìn)行定量表征的方法。


本文編號：3229784