受动物脚的启发，基尔大学成功提高硅材料粘接效果

壁虎、蜘蛛和甲虫已经向我们展示如何可以做到这样：由于他们脚上特别的粘合剂元素，他们可以很容易地沿着天花板或墙壁爬行。仿生学试图模仿和控制这种的生物功能，来进行技术应用和人工材料的制造。

基尔大学的一个研究小组（CAU）已经成功地提高了硅材料粘接的显著效果。为此，他们结合了两种方法：首先，以甲虫脚为例，在微尺度上构造表面，然后用等离子体对其进行处理。此外，他们发现，如果结构材料被弯曲到不同程度，它的粘合性变化很大。

在其他应用领域中，他们的研究结果对于微型抓握机器人的发展具有很大的意义。他们的成果已发表在最近的《Advanced Materials》（“微结构和下表面曲率对仿生胶粘剂性能的影响”）和ACS《Applied Materials & Interfaces》（“微观结构与表面自由能增加联合作用的生物增强干性胶粘剂”）上。

弹性合成的材料如硅橡胶在工业上很流行。它们灵活、可重复使用、廉价和易于生产。因此它们用于如密封、绝缘、防腐蚀保护领域。然而，由于其低的表面能，他们和其它材料之间几乎没有粘附作用，比如，这使得很难凃到硅树脂表面。

一个蘑菇状微结构表面会附着的更好

功能形态学和生物力学工作组的Stanislav N. Gorb教授和Emre Kizilkan正在研究如何提高有机硅弹性体的粘合性能。他们模仿的例子是某些雄性叶甲虫蘑菇状的表面结构。

在最近的两项研究中，他们发现，如果硅橡胶弹性体的表面被改为蘑菇状结构，然后用等离子体进行特殊处理，则其粘附效果最好。带电气体，是物质的第四态，有别于固、液、气三态。因此，研究人员结合了几何学和化学方法来模仿生物学。此外，它们证明材料的弯曲程度影响它们的粘附。

“动物和植物为我们提供了一些令人难以置信的特征的丰富经验。我们希望把它们背后的机制转移到人造材料上，以便能够有针对性地控制它们的行为。”动物学家Gorb说。他们的目标是在没有传统胶水的微范围内进行可逆的粘合，这使得新的应用可能成为现实——比如在微电子领域。

在实验测试中有机硅是弯曲的

在第一步骤中，研究团队比较了三种不同表面的有机硅弹性体：一个非结构化的，一个柱形元件和一个蘑菇状结构的。使用微型机械手，他们把玻璃球粘在表面上，然后又把它移走。他们测试了粘附的变化，当材料结构表面为弯曲凸（向内）、凹（向外）时。

“通过这种方式，我们证明了蘑菇状的结构硅材料和弯曲有粘结强度的双向性，” 这项研究的第一作者研究员Emre Kizilkan说，“通过这种表面结构，我们可以改变和控制材料的附着力。”

材料友好等离子体处理的精确参数

第二步，科学家用等离子体处理硅橡胶。这种方法通常用于塑料材料的功能化，以提高其表面能，提高其粘接性能。然而，液体的方法会经常破坏材料的表面，与液体的其他方法相比，等离子体处理可以保证材料寿命更长。

为了解等离子体处理为何可以不破坏表面且显著提高材料的粘附性，科学家改变不同的参数，如时间或压力。他们发现，等离子体处理后，玻璃基板上的非结构化表面的粘附增加约30%。蘑菇状结构表面的附着力提高了91%。

“这些研究结果特别令我们吃惊，因为结构表面只有非结构化的一半大，但等离子体处理后，附着力增强了三倍甚至更多”Kizilkan道说。

当处理过的和未经处理的结构化表面从玻璃基板上去除时，发生的情况用高速照相机记录了下来：由于其较高的表面能，等离子体处理的微结构与玻璃表面完全保持接触50-60秒。然而，在去除过程中，未处理的微结构的接触面积迅速减少约三分之一，这就是为什么显微组织在33秒之后已经完全脱离了玻璃基板。

特别适合应用在微电子

“因此，我们在非常小的区域上就具有非常强的大面积粘合性。”材料科学家Kizilkan总结说。这使得结果尤其在小规模的应用如微机器人上很有趣。基尔大学工作组的发现已经促进了一种极强胶粘带的发展，其功能是根据“壁虎”的爬行原理，可以不留下残胶。

这项研究是在基尔大学合作研究中心677“交换功能”的框架下进行的。

原文来自：Nanowerk，原文题目：High-tech adhesives inspired by feet，由材料科技在线团队翻译整理。