新闻中心
八角湾实验室界面材料与表面工程技术团队《NC》:基于多尺度接触耦合的大跨度黏附调控
2022-11-23 15:18
智能黏附材料,因为其能够按需地附着和分离,已在攀爬机器人、驱动器、伤口敷料、生物电子学等领域具有广泛的应用。然而,大量的智能黏附体系都存在界面残留、控制系统复杂、分离过程中黏附力高等缺点。如何实现大跨度的黏附定制,即高黏附到超低黏附、甚至到润滑的可逆转变仍然是一个挑战。

对于大多数可逆黏附材料,其可逆切换仅在单一尺度下发生,比如分子水平的邻苯二酚基团的可控作用和/或微-纳米结构的辅助,其他尺度上不可控/混乱的接触可能会削弱单一尺度规律的接触调控。因此,在附着/分离期间实现超低黏附(润滑)和高黏附状态之间的大跨度调控对于简单的、单一尺度的固-固接触而言是难以实现的,动态多尺度接触的耦合协同作用是大跨度黏附调控的必由之路。
 
八角湾实验室界面材料与表面工程技术团队报道了一种通过动态多尺度接触耦合协同调控的可逆黏附水凝胶材料(DMCS-水凝胶),具备可逆的、快速的、大跨度的黏附调控。该材料在分子尺度,基于水凝胶表面的去水化和水化导致黏附分子暴露和屏蔽,继而影响微观尺度的界面相互作用;在介观尺度,基于表面粗糙度和模量的可逆变化,进一步影响介观尺度的真实接触和接触速率。最终,通过动态多尺度接触的耦合调控,实现了黏附(黏附力~3 N/cm2)和润滑(摩擦力~0.04 N/cm2)状态之间的快速切换,该多尺度黏附机制对智能黏附材料的设计具有一定的指导意义。

11..jpg



图1. DMCS-水凝胶的设计理念:(a)动态多尺度接触协同作用的黏-滑切换机理;(b)介观尺度和微观尺度的接触示意图;(c)动态微观尺度接触和介观尺度接触的协同调控;表面黏附官能团含量(d)、材料模量(e)和表面润湿变化(f)对黏附强度的影响规律;(g)DMCS-水凝胶在高低温条件下的黏附与润滑演示;(h)拉伸至原始长度7倍的DMCS-水凝胶和(i)相应的应力与拉伸曲线。

22..jpg

图2. DMCS-水凝胶的动态多尺度接触机制:(a)DMCS-水凝胶和石英玻璃之间的接触观测示意图;(b)低温和高温条件下的动态接触演变规律。比例尺为5 mm;(c)接触时间与有效接触面积之间的关系;(d)利用激光共焦显微镜观察DMCS-水凝胶的表面润湿状态;(e)表面润湿和去润湿之间的可逆切换图,比例尺为100μm;(f)该过程可以循环;(g)DMCS-水凝胶表面微观尺度分子迁移的验证示意图;(h)低温和高温条件下水凝胶表面的动态润湿演变规律。比例尺为200μm;(i)时间与润湿速率之间的关系。


33..jpg


图3. DMCS-水凝胶的可切换黏附特性(a)温度与黏附强度之间的关系;不同接触时间(b)和预载力(c)对黏附强度的影响;(d)DMCS-水凝胶在高温和低温条件下的热响应黏附循环;(e)可切换黏附特性适用于各种基材;(f)可调控的LCST值;(g)高温下的摩擦曲线;(h)和(i)DMCS-水凝胶与其他可逆黏附材料之间的比较;(j)低温和高温条件下的切向力试验;(k)相应的拉伸-时间曲线。

44..jpg

图4. DMCS-水凝胶在攀爬设备中的应用(a)使用3D打印技术制造的小车,其履带装置了DMCS-水凝胶材料;在高温和低温基底表面,该履带表面性能从高黏附和高摩擦(高FA&FF转变为低黏附和低摩擦(低FA&FF。比例尺为15 mm;低温(b)和高温(c)条件下,移动设备在垂直金属板上爬行的运动图像,以及相关的时间-距离曲线。红外热图像显示了传热过程;(d)在一半冷一半热的垂直金属板上运动的图片和(e)相关的时间-距离曲线。

总而言之,该团队利用分子构象重排、模量调控和粗糙度变化,建立了基于微观尺度和介观尺度协同作用的动态多尺度接触系统,发展了一种可逆地、动态地和快速地在黏附和润滑状态之间切换的智能表面构筑方法。该多尺度黏附机制对智能黏附材料的设计具有一定的指导意义。

以上工作得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划和山东省自然科学基金重点研究项目等的资助。



  • 地址:山东烟台经济技术开发区长江路300号
  • 电话:0535-2607930
  • 邮箱:webeditor@amgm.ac.cn
关于我们
实验室简介
组织机构
现任领导
理事会
学术战略咨询委员会
主任委员会
园区风貌
video介绍
研究系统
公共研发平台
研究中心
联合研发中心
新闻中心
综合新闻
通知公告
合作交流
科普动态
党群文化
先进材料实验室
官方手机站

责任 奉献 创新 价值
Copyright 2021 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室官网 版权所有 鲁ICP备2021011066号-2 鲁ICP备2021011066号-1 鲁ICP备2021011066号-3 邮箱登陆OA登陆内网登陆 技术支持:恒势嘉承

服务热线

0535-2607930