基於微尺度3D打印(yin)制備仿生(sheng)功能(neng)表面(mian)在力(li)場(chang)調控(kong)下(xia)實現(xian)黏(nian)附自(zi)清(qing)潔

是什(shen)麽(me)讓(rang)蜘(zhi)蛛俠能(neng)夠飛檐(yan)走(zou)壁(bi)？又是什(shen)麽(me)讓(rang)年(nian)逾(yu)50的(de)阿湯哥只身(shen)壹人攀爬(pa)世.界(jie)第壹高(gao)樓(lou)­——哈利法(fa)塔(ta)？盡管(guan)這些是科幻(huan)電(dian)影中(zhong)的(de)片(pian)段(duan)，但現(xian)實生(sheng)活(huo)中(zhong)早(zao)已(yi)有活生(sheng)生(sheng)的(de)例(li)子：壁(bi)虎。該(gai)生物(wu)不僅(jin)在潔凈(jing)基底上(shang)具(ju)有(you)超(chao).強(qiang)黏附力(li)，同(tong)時(shi)在沾(zhan)滿灰(hui)塵的(de)表面(mian)依(yi)舊能(neng)夠自(zi)由爬(pa)行(xing)，表(biao)明其黏(nian)附系(xi)統(tong)具(ju)有(you)“自(zi)清(qing)潔”功能(neng)。有研(yan)究(jiu)指(zhi)出，壁(bi)虎之(zhi)所(suo)以具(ju)有(you)如(ru)此(ci)優(you)異的(de)功能(neng)是因為(wei)其(qi)腳(jiao)趾(zhi)具(ju)有(you)成(cheng)千上萬(wan)的(de)鏟狀絨毛(mao)。

圖(tu)1.壁虎(hu)腳(jiao)掌黏附系(xi)統(tong)的(de)結構(gou)

近日，受壁虎(hu)行(xing)為(wei)啟發(fa)，北(bei)京(jing)理(li)工大(da)學(xue)*結(jie)構(gou)技術(shu)研(yan)究(jiu)院的(de)陳(chen)少華(hua)教(jiao)授課(ke)題(ti)組(zu)提(ti)出(chu)了壹種仿生(sheng)微柱功能(neng)表面(mian)通(tong)過(guo)力(li)場(chang)調控(kong)實現(xian)自(zi)清(qing)潔功能(neng)的(de)研(yan)究(jiu)。該(gai)自清(qing)潔功能(neng)表面(mian)是結(jie)合(he)微尺度3D打印(yin)技術(shu)（nanoArch P140，摩方精(jing)密(mi)）制備得到，其(qi)在顆(ke)粒篩(shai)選(xuan)、運(yun)輸(shu)等(deng)領(ling)域具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)應用前景。研(yan)究(jiu)成果(guo)以(yi)“Self-Cleaning Performance of the Micropillar-Arrayed Surface and Its Micro-Scale Mechanical Mechanism” 為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)在知名(ming)期(qi)刊《Langmuir》上(shang)。該(gai)研(yan)究(jiu)工作由北(bei)京(jing)理(li)工大(da)學(xue)*結(jie)構(gou)技術(shu)研(yan)究(jiu)院博(bo)士生安(an)華(hua)貞(zhen)完(wan)成。

圖2. 微柱陣列(lie)表面(mian)的(de)實驗(yan)制備工藝如(ru)圖(a)所(suo)示(shi)，首(shou)先通(tong)過(guo)微尺度3D打印(yin)技術(shu)（nanoArch P140，摩方精(jing)密(mi)）打(da)印(yin)出光敏樹(shu)脂(zhi)微孔陣列(lie)模(mo)具(ju)，然(ran)後(hou)倒(dao)模(mo)獲得PDMS微柱陣列(lie)表面(mian)；(b)微孔模(mo)具(ju)的(de)激(ji)光(guang)共(gong)聚焦俯(fu)視圖(tu)；(c)微柱陣列(lie)表面(mian)的(de)激(ji)光(guang)共(gong)聚焦三維(wei)結(jie)構(gou)圖(tu)，其中(zhong)，微柱直徑(jing)、高(gao)以及兩微柱中(zhong)心距分(fen)別(bie)為(wei)180μm、550μm、280μm，該(gai)微柱的(de)大(da)小(xiao)與(yu)3D打印(yin)的(de)微孔模(mo)具(ju)相(xiang)同(tong)；(d)微柱陣列(lie)表面(mian)的(de)側視圖(tu)。

圖3.微柱功能(neng)表面(mian)在Load-Pull接觸(chu)過(guo)程下(xia)的(de)自清(qing)潔性能(neng)

通(tong)過(guo)微尺度3D打印(yin)技術(shu)結合模(mo)板(ban)復制工(gong)藝制備出微柱陣列(lie)表面(mian)，在施(shi)加Load-pull的(de)加載條件(jian)下(xia)研(yan)究(jiu)了接觸(chu)壓力(li)、顆(ke)粒尺(chi)寸(cun)等(deng)因素對(dui)微柱陣列(lie)表面(mian)自清(qing)潔行(xing)為(wei)的(de)影響，並(bing)分(fen)析(xi)了其(qi)中(zhong)的(de)微觀(guan)力(li)學(xue)機(ji)制。研(yan)究(jiu)結果(guo)發(fa)現(xian)，微柱陣列(lie)表面(mian)實現(xian)自(zi)清(qing)潔的(de)主要微觀(guan)力(li)學(xue)機(ji)制為(wei)：在接觸(chu)壓力(li)的(de)作用下(xia)，顆粒與(yu)微柱的(de)接觸(chu)狀態由黏(nian)附狀(zhuang)態改(gai)變為(wei)易清(qing)潔的(de)沈積狀態。此(ci)研(yan)究(jiu)不僅(jin)有(you)助(zhu)於深(shen)入(ru)理解(jie)微柱陣列(lie)表面(mian)的(de)自清(qing)潔機理(li)，而且(qie)為(wei)自(zi)清(qing)潔功能(neng)化表(biao)面(mian)的(de)設計及微顆粒的(de)可控(kong)粘附與(yu)輸運(yun)等(deng)提(ti)供技術(shu)支(zhi)持(chi)。

圖(tu)4.微柱陣列(lie)表面(mian)對不同(tong)尺寸(cun)顆粒(li)的(de)自清(qing)潔性能(neng)及微觀(guan)機理(li)