基于微尺度3D打印制備的仿生功能表面在力場調控下實現黏附自清潔

是什么讓蜘蛛俠能夠飛檐走壁？又是什么讓年逾50的阿湯哥只身一人攀爬世界第一高樓­——哈利法塔？盡管這些是科幻電影中的片段，但現實生活中早已有活生生的例子：壁虎。該生物不僅在潔凈基底上具有超強黏附力，同時在沾滿灰塵的表面依舊能夠自由爬行，表明其黏附系統具有“自清潔”功能。有研究指出，壁虎之所以具有如此優異的功能是因為其腳趾具有成千上萬的鏟狀絨毛。

圖1.壁虎腳掌黏附系統的結構

近日，受壁虎行為啟發，北京理工大學先進結構技術研究院的陳少華教授課題組提出了一種仿生微柱功能表面通過力場調控實現自清潔功能的研究。該自清潔功能表面是結合微尺度3D打印技術（nanoArch P140超高精度快速成型增材制造設備，摩方精密）制備得到，其在顆粒篩選、運輸等領域具有重要的應用前景。研究成果以“Self-Cleaning Performance of the Micropillar-Arrayed Surface and Its Micro-Scale Mechanical Mechanism” 為題發表在國際知名期刊《Langmuir》上。該研究工作由北京理工大學先進結構技術研究院博士生安華貞完成。

原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c01398

圖2. 微柱陣列表面的實驗制備工藝如圖(a)所示，首先通過微尺度3D打印技術（nanoArch P140，摩方精密）打印出光敏樹脂微孔陣列模具，然后倒模獲得PDMS微柱陣列表面；(b)微孔模具的激光共聚焦俯視圖；(c)微柱陣列表面的激光共聚焦三維結構圖，其中，微柱直徑、高以及兩微柱中心距分別為180μm、550μm、280μm，該微柱的大小與3D打印的微孔模具相同；(d)微柱陣列表面的側視圖。

圖3.微柱功能表面在Load-Pull接觸過程下的自清潔性能

通過微尺度3D打印技術結合模板復制工藝制備出微柱陣列表面，在施加Load-pull的加載條件下研究了接觸壓力、顆粒尺寸等因素對微柱陣列表面自清潔行為的影響，并分析了其中的微觀力學機制。研究結果發現，微柱陣列表面實現自清潔的主要微觀力學機制為：在接觸壓力的作用下，顆粒與微柱的接觸狀態由黏附狀態改變為易清潔的沉積狀態。此研究不僅有助于深入理解微柱陣列表面的自清潔機理，而且為自清潔功能化表面的設計及微顆粒的可控粘附與輸運等提供技術支持。

圖4.微柱陣列表面對不同尺寸顆粒的自清潔性能及微觀機理