粘附表面：一种仿生章鱼的吸盘

韩国的研究人员最近开发出一种仿生章鱼的粘附表面，在潮湿和干燥的环境下都可以使用。他们相信这种类似于章鱼的吸盘能够在硅晶片操纵以及伤口治愈方面发挥广泛的作用。他们的研究工作还揭示出为什么普通的章鱼吸盘能够轻易抓住物体表面。

章鱼的爪上有大量的吸盘，章鱼利用这些吸盘进行移动和捕食。而这些常见章鱼的吸盘十分有意思，吸盘中心有一处隆起，这些隆起的作用之前一直没人知道。粘附作用在许多地方都会用到，从包装到手术伤口愈合。然而，胶水在使用一段时间后往往会失效，在物品表面留下一堆残留物。人们为此尝试过各种富有想象力的发明，例如带电聚合物，纳米颗粒溶液以及受生物启发制造的粘液等，但是这些都很难制备。因此，发明一种无污染、易制备，且在干湿的不规则表面都有效的粘合剂是一个巨大的挑战。

聚合物模具

在这项研究中，韩国成均馆大学的Changhyun Pang和他的同事们制备了一种聚合物表面，上面覆盖了成千上万个微型的章鱼吸盘仿制品，同样地吸盘中心也有隆起。该小组制作了15-500μm范围内的不同吸盘直径的样品。这种结构通过将聚合物倒入模具中能够轻易制备出来。

研究人员测试了样品对硅片的粘附能力，与表面具有相同尺寸圆孔、实心圆柱和空心圆柱样品进行了比较。结果发现这种具有类似于章鱼结构的表面比其他表面要有效得多，无论是在潮湿环境还是完全浸入水中。同时，在常用作润滑剂的硅油中，样品依然能起到很强的粘附作用。

当吸盘在有液体的情况下被缓慢地按压到物体表面时，吸盘开始收缩，将内部的一些液体排出。而当吸盘再次扩展时，内部的压强要小于外部，从而导致吸附。如果用更大的力量按压，这种仿生章鱼吸盘的中间突起会变平，向侧面铺开直到接触到吸盘边缘。这样就将吸盘分为上下两个空腔。毛细力会将液体提拉到上部的空腔中。当压力释放时，上部腔中液体分子间的吸附力将持续按压突起，使得上腔依然关闭而在下腔中造成极度低压的情况。

荧光水

两步吸附的过程解释了为什么仿生章鱼表面在使劲按压的情况下能够粘得更牢固，而具有其他结构的表面在使劲按压的情况下粘附效果并不会有任何增加。研究人员利用共聚焦显微镜观察吸盘中荧光水的输运情况证实了他们的猜测。

半导体工业中针对硅片的抓持是非常有用的，硅片总是需要在干或湿的条件下精确和重复移动，这个过程随时有可能对硅片造成损伤。Pang和他的同事们用新制备的吸附表面完成这项工业流程，在经过10000次以上的吸附分离操作之后，没有表现出任何吸附能力的减弱。他们还用生理盐水处理过的样品对老鼠皮肤进行伤口恢复测试，虽然和当前医疗胶带比，效果要差一些，但是Pang表示：“我们小组正在利用这种样品作为干细胞或药物载体，以扩展它的实用价值。”

粗糙表面

意大利特兰托大学的固体和结构力学专家Nicola Pugno认为这项工作的意义非凡。他指出虽然传统的大型吸盘和这种新表面的吸附能力差不多，甚至要稍强一些，但是这种大型吸盘对于非常小或者粗糙表面是无效的。

他认为在一个薄膜表面嵌入微小的传统吸盘是非常困难的，“虽然吸盘看起来很简单，但是作为一个几何形状，它是相当复杂的：例如它是锥形的。”“也许最有趣的是他们能够制作大面积的微小吸盘，并且这些吸盘具有章鱼吸盘这样的几何形状。当我们理解其中的物理原理并找到最佳的条件时，也许吸附能力将会提高一个数量级。”这项发明工作发表在Nature杂志上。

来源： http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/jun/14/octopus-inspired-adhesive-could-heal-wounds

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