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“偷師”章魚的Nature：簡(jiǎn)單“吸盤貼”，水下也可用

來(lái)源: X-MOL 2017-08-07 13:39:10

章魚，不僅是吃貨們喜愛(ài)的海鮮，也是科學(xué)家們鐘愛(ài)的模仿對(duì)象。它們的噴墨水、變色以及快速退游等技能，給了科學(xué)家們不少啟發(fā)。近日，韓國(guó)成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）的Changhyun Pang教授等人再次“偷師”章魚，并收獲Nature 論文一篇。他們?cè)谡卖~腕足吸盤微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，仿生制備了具有超強(qiáng)粘附特性的“吸盤貼”（adhesive patch）。該吸盤貼制作簡(jiǎn)單，在干燥、潮濕、水下甚至油相環(huán)境下仍具有優(yōu)秀的粘附性，能夠多次循環(huán)可逆使用，并且不會(huì)給材料表面帶來(lái)任何污染。

“Hi，人類學(xué)生”。圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)

依靠表面間的機(jī)械聯(lián)鎖或分子引力的粘附策略，一旦遇到液體往往都會(huì)出問(wèn)題，粘合強(qiáng)度下降，使用壽命縮短。舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，浴室里用的帶背膠或帶吸盤的粘鉤，往往隔三差五就會(huì)從瓷磚墻面上掉下來(lái)。浴室里的粘鉤掉了不會(huì)帶來(lái)太大損失，但工業(yè)生產(chǎn)以及交通運(yùn)輸中的粘附失效，往往會(huì)引起較大的麻煩。到目前為止，科學(xué)家們開發(fā)了多種粘合劑來(lái)解決問(wèn)題，比如包含多級(jí)蘑菇形或多孔結(jié)構(gòu)具有吸力或毛細(xì)作用力的粘合劑，包含納米顆粒的超分子結(jié)構(gòu)粘合劑，以及使用多種蛋白質(zhì)聚電解質(zhì)的粘合劑等等。但是開發(fā)一種制備簡(jiǎn)便、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)且能夠有效避免粘合材料表面污染的新型粘合劑仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的課題。Changhyun Pang教授等人從章魚捕食及移動(dòng)過(guò)程受到啟發(fā)，仔細(xì)研究了普通章魚（Octopus vulgaris）腕足吸盤的微觀結(jié)構(gòu)——頂端開孔，底部卻有一個(gè)球狀突起。這種結(jié)構(gòu)或許就是章魚在水下依然可以牢牢抓緊獵物的“秘密”。

章魚吸盤的微觀結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Nature

研究人員隨后“山寨”這種結(jié)構(gòu)，以多孔硅基底為模，制備了具有章魚仿生結(jié)構(gòu)（octopus-inspired architecture，OIA）陣列的聚氨酯丙烯酸酯（s-PUA）吸盤貼。s-PUA透氣率低，有利于干濕環(huán)境下均保持較好的吸力。整個(gè)制備過(guò)程（如下圖c）未涉及繁瑣的合成及表面修飾步驟，方法簡(jiǎn)便，適用于大規(guī)模高效生產(chǎn)。這種仿生吸盤貼還可以用于潮濕、不平整的表面，比如人類會(huì)出汗的皮膚（下圖d），貼上和揭下都很容易。而OIA陣列是這種良好性能的基礎(chǔ)（下圖e/f）。

仿章魚吸盤的OIA吸盤貼的制備過(guò)程及微結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：Nature

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)具有不同微結(jié)構(gòu)陣列的s-PUA貼進(jìn)行粘附力對(duì)比測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，s-PUA貼仿章魚吸盤的結(jié)構(gòu)中的微米級(jí)球狀凸起能夠有效增加結(jié)構(gòu)陣列的界面粘附力。進(jìn)一步測(cè)試表明，具有球狀凸起結(jié)構(gòu)的仿生吸盤貼在干燥環(huán)境、潮濕環(huán)境都有良好表現(xiàn)，甚至在水下及油相中這種仿生吸盤貼對(duì)硅片、玻璃及粗糙基底等材料的表面都呈現(xiàn)出較強(qiáng)的可逆粘附作用。并且，在多次重復(fù)循環(huán)測(cè)試過(guò)程中，貼片的粘附性能表現(xiàn)穩(wěn)定。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用該仿生吸盤貼進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，在空氣氛圍和水相都能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸硅片（8 inch）的高效轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移過(guò)程中能夠有效保持硅片表面清潔，應(yīng)用前景廣闊。

OIA仿生吸盤貼在不同環(huán)境條件下的粘附性能及實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。圖片來(lái)源：Nature

在論文中，Changhyun Pang教授等人還對(duì)OIA仿生吸盤貼在潮濕環(huán)境下良好粘附性能背后的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，在此不做贅述。

談到用途，作者認(rèn)為這種仿生吸盤貼可在臨床上用于人類皮膚，代替如今“粘上容易撕下難”的各種醫(yī)用粘合劑，還有可能結(jié)合干細(xì)胞或藥物來(lái)促進(jìn)傷口愈合。

總之，Changhyun Pang教授等人通過(guò)仿生章魚吸盤微結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種制備簡(jiǎn)單、粘附力超強(qiáng)的聚合物基粘合貼。基于材料表面復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)陣列的構(gòu)筑，賦予材料較強(qiáng)的界面粘附性能，該策略拓展了不同材料間有效粘接的方法和途徑，同時(shí)克服了傳統(tǒng)的粘合劑制備方法存在的諸多缺陷和應(yīng)用范圍限制。

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