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  昆蟲腳上微米級(jí)的剛毛結(jié)構(gòu)通過形成納米液橋來實(shí)現(xiàn)濕粘附，從而使它們能在各種表面上輕松行走。與經(jīng)典毛細(xì)模型不同的是，昆蟲剛毛末端的液橋與黏液腺相連，與接觸表面形成動(dòng)態(tài)黏附。雖然科學(xué)家們對(duì)納米級(jí)毛細(xì)現(xiàn)象的物理機(jī)制充滿興趣，但其具體機(jī)制仍不明確。

圖1 (a) 瓢蟲照片；(b)瓢蟲剛毛掃描電鏡圖；(c)仿昆蟲剛毛的多孔納米柱陣列；(d)原子力顯微鏡尖探針用于模擬粗糙表面，與樣品形成點(diǎn)接觸；(e)原子力顯微鏡球探針用于模擬平面，與樣品形成面接觸。

  近期，武漢大學(xué)薛龍建教授團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)模仿昆蟲剛毛的人工動(dòng)態(tài)濕黏附系統(tǒng)（圖1），揭示了納米級(jí)毛細(xì)粘附的動(dòng)態(tài)過程以及剛毛結(jié)構(gòu)賦予濕黏附的多重優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)利用多孔納米柱陣列（PNAs）來模擬昆蟲剛毛；利用不同尺寸的原子力探針模擬不同粗糙度的接觸面；將礦物油動(dòng)態(tài)傳輸到PNAs尖端與接觸表面形成納米液橋，模擬昆蟲的黏液分泌過程。通過黏附力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以清晰地監(jiān)測濕黏附的發(fā)展過程。

圖2 (a) PNAs和(b)平膜的濕黏附演變過程。(c)PNAs與平膜在不同探針下的穩(wěn)定濕黏附形成時(shí)間。(d)平膜和(e)PNAs上礦物油在探針表面的接觸角變化示意圖。

圖3 具有不同表面能的PNAs和平膜在(a)球探針和(b)尖探針下的黏附力。

圖4 PNAs和平膜在(a)尖探針和(b)球探針上的液體損失量。

  該工作不僅在納米尺度揭示了納米液橋的力學(xué)機(jī)制，更是首次揭示了剛毛結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)濕黏附的多重貢獻(xiàn)，加深了對(duì)自然進(jìn)化結(jié)構(gòu)多功能性的理解，還可以為納米印刷、納米機(jī)器人和納米器件自組裝提供指導(dǎo)。此外，該工作建立的動(dòng)態(tài)濕黏附系統(tǒng)，可以作為模型體系研究動(dòng)態(tài)毛細(xì)現(xiàn)象。該工作以“Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。該研究得到國家自然科學(xué)基金委和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14048

  下載：Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion