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女儿12岁可以用了女儿12岁可以用了女儿12岁可以用了女儿12岁可以用了女儿12岁可以用了陈华伟教授课题组Science Advances:仿生纳米纤维棱柱强湿摩擦新机制

作者: 发布: 2023-10-18

近日,北京航空航天大学机械学院陈华伟课题组在《Science》子刊《Science Advances》上发表仿生湿摩擦机制新发现,论文题为“Nanofiber embedded bioinspired strong wet friction surface”,陈华伟教授、张力文为通讯作者,博士生郭雨润为第一作者。

 

界面湿粘附湿摩擦普遍存在于生物及机电器件,尤其随着精准医疗的发展,以可穿戴柔性电子为代表的生机接触界面湿粘附规律及其调控机制受到高度关注。前期,研究团队表征分析了树蛙脚垫微纳六棱柱阵列表面上的液膜自碎化、自吸附行为规律,揭示了密排棱柱结构表面上均匀液膜形成及强湿摩擦机制(Adv. Sci. 2020, 7(20): 2001125),进一步通过梯度棱柱结构实现对湿摩擦的调控(Adv. Funct. Mater. 2022, 32(47): 2205804),为生/机界面湿粘附摩擦增效提供了新方法。然而,在摩擦过程中柔性微纳结构的变形显著影响着纳米液膜稳定性,极易导致边界摩擦失效,降低摩擦力,如何长时间维持界面纳米液膜的稳定性成为进一步增强湿摩擦的关键问题。

1 蝈蝈和树蛙脚垫棱柱微纳结构及边界摩擦界面液膜运动

螽斯科的昆虫蝈蝈具有比树蛙更为优异的湿攀爬能力,与树蛙脚垫实心棱柱结构相比,蝈蝈脚垫光滑表面下分布着竖直的纳米纤维毛阵列(图1A-F),其边界摩擦性能超树蛙脚垫近4倍。界面液膜动态原位表征发现,蝈蝈脚垫纳米液膜分离发生于近身体侧(Proximal),而树蛙脚垫液膜分离出现在远身体侧(Distal),呈现出截然不同的界面液膜分离模式(图1G),经揭示这种相反的界面液膜动态行为是蝈蝈优异边界湿摩擦的重要原因。

2 不同仿生棱柱微纳表面及其边界摩擦对比

受此启发,研究团队设计制造出不同的棱柱结构表面:仿树蛙实心棱柱结构(BP)、仿蝈蝈纳米纤维支撑薄膜棱柱结构(NFPF)。原位表征界面液膜行为也进一步证实了BP棱柱、NFPF棱柱表面在剪切作用下与基底分离位置发生了转移,由BP棱柱后侧(Rear)分离改变为NFPF棱柱前侧(Front)分离,与树蛙和蝈蝈脚垫的不同液膜分离方式一致,同时NFPF边界摩擦达到BP的两倍(图2)

 

3 不同棱柱界面液膜行为及结构变形表征

为揭示湿摩擦增强的机理,进一步详细表征了摩擦过程中棱柱形变和界面液膜运动。BP棱柱在底部摩擦力和顶部横向拉力的剪切作用下,棱柱前侧受到明显的挤压应力(图3A),棱柱直径变小(∆d<0),棱柱后侧与基底发生分离。而NFPF棱柱由于其纳米纤毛可以轻易侧向变形,在剪切作用下通过弯曲变形极大的降低了界面分离应力,并将分离区域转移至棱柱前侧,受此影响出现了棱柱直径增大的现象(∆d>0)。在PSAN棱柱的粗糙表面,由于厚液膜毛细力极低,在运动中流动至棱柱后侧,棱柱未出现明显的变形,摩擦力几乎为零(图3C)。

NFPF棱柱在摩擦过程中表现出比BP棱柱更强的界面液膜保持能力,而且随着NFPF棱柱高度的增加,其界面液膜更稳定,边界摩擦力更强,这种由结构变形和界面液膜行为耦合的动态相互作用最终赋予了NFPF表面和蝈蝈脚垫稳定强湿摩擦能力

4 不同棱柱变形理论模型建立及阵列棱柱界面液膜动态行为

在此基础上,作者进一步建立了相关理论模型,理论验证了BP和NFPF棱柱的界面应力传递行为(图4A-B)。面向精准医疗应用,提出了强湿粘附强湿摩擦表面仿生设计制造方法,并应用在可穿戴柔性传感贴片表面,提高生物传感贴片的检测精度。

5 仿生强湿摩擦表面在柔性传感贴片上的应用及其湿粘附性能

该研究揭示了仿生纳米纤维棱柱阵列对湿摩擦的影响机制,通过对界面液膜运动和棱柱变形的原位表征,发现仿生纳米纤维棱柱在湿摩擦中存在特殊的界面应力转移效应,提高了棱柱界面纳米液膜的稳定性,从而产生更强的湿摩擦力,最后建立了界面接触应力转移和湿摩擦增效理论,并验证了仿生强湿摩擦表面在可穿戴电子设备上的应用。

 

该研究得到国家自然科学基金重点、创新群体(Nos. 51935001, T2121003, 51905022, & 51725501)和国家重点研发计划(No. 2019YFB1309702)等项目资助。