《基於爬山虎吸盤粘附作用的新型功能材料設計製備》是依託華南理工大學，由鄧文禮擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於爬山虎吸盤粘附作用的新型功能材料設計製備
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：鄧文禮
- 依託單位：華南理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
我們的前期研究表明，爬山虎的吸盤由於組成的多樣性以及海綿狀和陣列柱狀結構而在各種表面都能夠穩固地粘附，是很有希望的新型仿生材料體系。揭示和闡明吸盤的化學組成與微結構的關係及其粘附機理是新型功能材料設計和製備的基礎，因而本課題提出進一步開展基於爬山虎吸盤粘附作用的新型功能材料設計製備。主要內容：（1）採用顯微結構分析確定吸盤的微結構；採用固相微萃取、溶液萃取和膜分離技術相結合的方法分離吸盤中的主要成分；用現代分析技術確定各組分的分子結構及其物理化學性能；（2）從理論上分析吸盤的化學組成、微結構和粘附性能之間的關係並進行計算機模擬，闡明和建立吸盤粘附的機理；（3）採用電化學刻蝕或電子束刻蝕方法製備金屬或無機材料模板，採用模板鑄造技術製備仿吸盤結構材料；對比天然吸盤和仿吸盤結構材料的性能，通過調控仿吸盤材料的組成與結構達到最佳化其性能。本課題將為發展新的仿生體系、設計製造新型功能材料提供科學依據。
結題摘要
“基於爬山虎吸盤粘附作用的新型功能材料設計製備”課題組圍繞項目關鍵科學問題，經過三年時間的持續探索，完成課題任務，實現了預期目標，獲得了一系列創新性研究結果： 1. 研究發現爬山虎吸盤具有功能性的多孔結構，該種結構一方面利用孔道增加吸盤與粗糙型基底的接觸面積；另一方面，便於儲存分泌物並增強吸盤與基底的粘附能力。多孔結構在爬山虎吸盤的超強粘附性能方面發揮重要的作用。 2. 我們利用多孔氧化鋁為模板進行結構仿製。在製備過程中，鋁表面預處理、反應電壓、電解液種類及濃度、反應電流密度、反應溫度、反應時間等因素對氧化鋁模板的孔徑大小、孔密度、管道長度等產生重要影響。通過熱注塑、溶液注塑、相分離技術等方法將聚合物注入到多孔氧化鋁模板中，在鹼性條件下除去模板，得到具有功能性結構的聚合物材料。在這一過程中，不同的注入方法對聚合物材料的功能有很大的影響。在注塑時，通過改變升/降溫速率來調整聚合物材料表面的結構變化，聚合物的濃度、溶劑的種類和反應溫度均會影響到聚合物的最終結構，從而產生柱狀、管狀、球狀多種形態結構，而且各種形態之間有明顯的性能差異。通過多孔氧化鋁倒模聚合物的方法進行仿製，研究了該種新材料的粘附性、親疏水性等性能，得到了一系列預期的結果。 3. 採用一步陽極氧化法在鋁基底上製備了不同形貌的氧化鋁分級結構。通過調節陽極化時間參數，得到了一種納米線與納米孔洞相結合的混合結構，並且處於上層的納米線結構具有可調控的性質。實驗證明了這種氧化鋁分級結構在不經過低能物質的修飾下就可以實現超疏水性能。更重要的是我們發現最終得到的材料表現出很大的粘附性差異。上層是納米束結構的樣品表現出非常滑的超疏水特性，滾動角度低至1°。另外一種上層是納米纖維金字塔形狀的樣品則表現出非常粘的超疏水特性，並且可粘附的水滴的體積最大可達到15μL。在較高電流密度下採用一步陽極氧化法快速的製備了具有很強機械性能的氧化鋁超疏水膜。陽極化時間，陽極化電流密度和反應電解液溫度對形貌，潤濕性及其粘附性產生影響。研究結果表明分級結構的出現是實現超疏水性能的必要條件。製備得到的超疏水氧化鋁塗層同時也表現出很強的機械性能，在經過反覆摺疊，用手指用力壓，用膠帶反覆粘附都不會影響其超疏水性能。另外，此超疏水表面對冰水、沸水、強酸、強鹼、熱酸、熱鹼、高溫、有機溶劑、油污染等都有很強的抵抗力。
