再谈壁虎的吸附(下)

【在了解了壁虎的独特吸附作用的机理之后,科学家们开始用各种方法模仿壁虎脚趾的微观结构,希望通过这样的途径来开发新型的粘合材料。然而一项最新的研究告诉我们,要达到类似壁虎的吸附性能,并不一定要模仿壁虎脚趾的微观结构,这又是为什么呢?敬请关注《再谈壁虎的吸附》下篇】

人们研究壁虎的吸附能力,当然不仅仅是出于自身的好奇心,而是希望能在实际生活中模仿壁虎开发出新型的粘合材料。我们在前面已经介绍过了,与我们日常生活中常见的各种胶带、粘合剂等不同,壁虎的吸附并不依赖于粘性较大的材料,却又能达到非常好的粘合性能。更为特别的是,壁虎不仅能够非常牢固地吸附在各种表面上,而且在需要移动的时候,只要轻松地动一动脚趾,强大的吸附力又能瞬间消失,这可是各种人工合成的粘合剂望尘莫及的。虽然我们现在使用的一些胶带也可以做到反复的粘贴和剥落,但是这样的胶带一般都有一个难以克服的问题:粘合性能好的胶带,往往需要费很大力气才能剥落下来;容易揭下来的胶带,吸附力又很弱,很难承受比较大的重量。所以人们非常希望通过研究壁虎的吸附机理来开发出具有类似性能的新型胶粘材料。自从2000年研究人员第一次通过实验验证了壁虎吸附作用的机理,不知不觉十多年已经过去了,那么人们现在向壁虎学习的成绩如何呢?

之前我们已经提到,壁虎能够拥有强大的吸附能力,主要是得益于它们脚趾上的微观结构——刚毛和绒毛。在弄清楚这一点之后,科学家们也就很自然地想到:我们是不是也可以模仿壁虎的脚趾制造出类似的结构呢?例如,我们可以在本来比较光滑的材料表面想办法刻出一个个直径只有几十微米甚至几个微米的小圆柱体,这样得到的新材料是不是也可以像壁虎一样,拥有非常强大的吸附能力呢?

顺着这个思路,科学家们开始了研究。限于篇幅,这里就不详细介绍制备这些微观结构的方法了,总之科学家们纷纷使出看家本事,在许多材料上都得到了尺寸、形状以及间隔距离各异的微观结构(图1)。不过,虽然我们已经得到了类似壁虎脚趾的微观结构,许多这样的材料的吸附性能并不尽如人意。例如,有些材料的机械性能并不太合适,在这些材料的表面加工出微米尺寸的圆柱体后,这些圆柱体往往容易坍塌或是在和别的表面接触的时候折断,(图2)这些情况自然影响到了材料的吸附粘合性能。[1-3]虽然也有的科学家成功地克服了这些问题得到吸附性能与壁虎类似的材料,但是这种方法仍然存在一大局限:加工成本太高。在前面我们已经提到,壁虎脚趾上的刚毛直径只有几个微米,长度也不过一百多微米,而人的头发虽然已经很细了,直径也有至少有几十微米。这意味着如果我们要在合成材料上模仿壁虎脚趾上的刚毛,仅仅在一个平方毫米的面积上就需要加工出至少1万个直径只有头发十分之一的小圆柱体,而且不要忘记壁虎的每根刚毛的末端还要再分化成几百乃至上千根更微小的绒毛呢,这对于加工技术的挑战就更大了。即便在科技高度发达的今天,加工制备如此精细的微观结构仍然是成本很高的一件事情。而且更重要的一点,用这些方法很难实现大面积生产,能加工出一个平方厘米的这样的材料就已经很不容易了。这个瓶颈如果无法克服,模仿壁虎的新型粘合材料就只能成为实验室里的玩具,无法真正走入我们的生活。

图1 一些在合成材料表面得到的模仿壁虎脚趾的微观结构。引自参考文献[1]

Figure2

图2 发生坍塌的表面微观结构。引自参考文献[2]

当许多科学家们绞尽脑汁地改进现有方法的时候,在2012年,美国马萨诸塞大学Alfred Crosby教授课题组提出了新的思路:壁虎脚趾上的微观结构确实提供了强大的吸附力,但是不要仅仅局限在微观结构而忽视了问题的根源。他们通过一系列的理论分析和实验提出,要开发出具有类似壁虎吸附性能的新材料,还是要从材料本身的性质入手。简而言之,要提高材料的吸附粘合性能,必须做到四个字:又软又硬。[4]有的朋友可能会说了,这不是开玩笑吗,就像一个人不可能“又高又矮”,一种材料怎么可能“又软又硬”呢。确实,乍一听起来,这四个字确实是和我们的常识严重不符,不过我们还是来看一下这条标准具体该怎么了解吧。

我们在平时的生活中通常会感觉某些物体比较软,而另外一些物体比较硬,那么这种软硬之别到底反映了什么呢?在材料科学上测量一个物体的软硬的标准有许多,虽然不完全相同,但都是反映了这个物体当受到外力时是否容易改变自身的形状,例如被拉伸、压缩或是弯曲。它首先是一种材料所特有的性质,比如尺寸相同的一块橡胶和一块木板,在施加一个外力的时候,自然是橡胶容易变形,所以我们会觉得橡胶比木材软。不过这里还要注意一点的是,我们这里所说的一个物体的软硬,不仅取决于构成这种物体的材料的性质,这个物体本身的形状和尺寸也要考虑进去。例如同样是木材,薄木板要比厚木板更容易弯曲,所以我们可以说薄木板更“软”一些。

接下来让我们再来看看Crosby课题组提出的“又软又硬”的标准到底是怎么回事。他们指出:如果把一块胶带贴在墙上,要让它在沿着墙面的方向能承担更多的重量,也就是说让它与墙面之间有尽可能大的吸附力,那么这块胶带需要在垂直于墙面的方向尽可能柔软来增大与墙面的接触,同时又需要在平行与墙面的方向尽可能坚硬,这样在承受重量时不至于有较大变形。(图3)也就是说,所谓“又软又硬”指的是在一个方向柔软,却又在另一个方向坚硬。

这个“又软又硬”的标准听上去简单,可是实现起来并不是那么容易,因为这块胶带如果只由一种材料构成,大部分情况下在两个方向要么都柔软,要么都坚硬,这样吸附力就很难得到提高。为了克服这个难题,Crosby教授和他的学生们尝试在一些比较柔软的材料,比如一些橡胶里面填充进比较坚硬的纤维颗粒(图3)。这样得到的材料,确实可以做到在垂直墙面的方向比较柔软,而在平行于墙面的方向又较为坚硬,粘合性能大大增强,甚至可以超过壁虎的吸附能力。

Figure3

图3 Crosby教授课题组提出的提高材料吸附力的原理(左)以及依据该原理设计的新型粘合材料的示意图(右)

有些朋友可能会问,这种方法和之前的模拟壁虎脚趾的微观材料的方法相比有什么优点呢?如果把普通的材料比作一块蛋糕,那么之前的方法告诉我们,为了能让这块蛋糕更好地粘在墙上,我们需要在蛋糕表面精心雕刻出各种图案;而Crosby教授课题组提出的方法告诉我们,其实不需要那么费事,我们只需要在和面的时候向面团里面加进一些干果或是葡萄干,这样得到的蛋糕的粘合性能就大大增强了。不难看出,新的方法不仅大大降低了生产成本,而且能更加容易地生产大面积的材料。事实上,Crosby教授课题组很容易地就制作出了面积达100平方厘米的这种新型材料,它能轻松承受100多千克的重量,用它把一台42英寸的彩电悬挂起来更是小菜一碟(图4)。

Figure4

图4 Crosby教授课题组制备的新型材料可以轻松承受较大的重量。引自参考文献[4]

Crosby教授课题组的这项工作发表之后引起了很大的关注。在他们的论文的结尾部分,有一句话很发人深思:人类虽然一直渴望通过模仿鸟类来飞上蓝天,但这个梦想直到飞行的原理被真正理解之后才实现(Dating back to the ancient Greeks, bird feathers, another keratinous feature, were thought to be necessary for flight, and numerous human made designs were unsuccessful by mimicking their form instead of understanding their functional principles)。确实,自然界有许多神奇之处等待我们去学习和模仿,但我们不应仅仅满足于模仿,而是要充分发挥我们的智慧来超越自然界。

关于壁虎的吸附能力的话题,我就为大家介绍到这里了。不过,人类探索和创新的脚步永远不会停止,围绕壁虎进行的研究也一定会延续下去。也许若干年之后,这种可爱的小生灵会带给我们更多的惊喜。

参考文献

[1] M. Kamperman, E. Kroner, A. del Campo, R. M. McMeeking and E. Arzt, Advanced Engineering Materials, 2010, 12,335

[2] L. F. Boesel, C. Greiner, E. Arzt and A. del Campo, Advanced Materials, 2010, 22, 2125

[3] M. K. Kwak , C. Pang , H.-E. Jeong , H.-N. Kim , H. Yoon, H.-S. Jung and K.-Y. Suh, Advanced Functional Materials, 2011, 21, 3606

[4] M. D. Bartlett, A. B. Croll, D. R. King, B. M. Paret, D. J. Irschick and A. J. Crosby, Advanced Materials, 2012, 24, 1078

(题图说明:近年来部分有代表性的模仿壁虎开发新型粘合材料的工作)

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目前评论:2   其中:访客  2   博主  0

  1. avatar tt 5

    这个壁虎系列真是很精彩的科普,让人大涨见识

  2. avatar 匿名 5

    受益了,谢谢楼主辛勤的劳动

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