仿生微纳粘附阵列制备和物性的研究

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1、摘要摘要壁虎能够在墙壁、天花板等任何表面做无障碍运动，其高超的攀爬能力一直是近年来科研人员重点研究对象。壁虎具备超强的粘附能力是因为其脚掌上长有无数根由超疏水性的β-角蛋白构成的超细刚毛阵列。这种粘附力来自绒毛与接触表面的范德华力。制造仿壁虎脚掌刚毛阵列需要考虑阵列的尺寸、形貌、弹性模量以及倾斜角等因素。通过仿制这种具有超细绒毛结构的材料可以实现极高的实用价值。贻贝等软体动物中有一种特殊的粘附蛋白，可在水下与固体表面形成交联，用以粘附并固定在外界的各种固体表面。贻贝中的这种粘附蛋白都含有多巴胺（DOPA），含有多巴的天然或合成粘附剂都具有很强的粘附力，而且多巴

2、含量越高粘附力越大。多巴胺修饰的微阵列在潮湿环境下仍然具有粘附作用的特点。这样，经过多巴胺修饰过的粘附阵列具有更广泛的应用。论文第一章回顾了仿生壁虎脚掌的研究进展，概况了壁虎的粘附、脱附机理。另外还介绍了利用不同手段和不同材料制备的微纳粘附阵列。最后简单地介绍了粘附阵列的力学测试方法。论文第二章主要介绍了微米级和纳米级粘附阵列的制备工艺并设计实验平台测试宏观粘附力。用原子力显微镜测试微观粘附力。合成了仿贻贝粘附蛋白聚合物-多巴胺-甲基丙烯酸酰胺/甲氧基乙基丙烯酸酯共聚物(P(DMA-co-MEA))，然后修饰在聚氨酯粘附阵列上。实验发现多巴胺修饰后的样品粘附力

3、大大提升，而且在水中也有很好的粘附效果。最后探讨了修饰机理以及粘附机理。在第三章中，选择以4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）为单体制备聚氨酯高分子材料，通过调整单体MDI和聚四氢呋喃（PTMG）以及1，4-丁二醇的比例可以调整软硬段的比例从而实现弹性模量的改变。用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模板可以得到不同尺寸的聚氨酯粘附阵列。通过纳米压痕仪器测试高分子材料的弹性模量和粘附阵列的粘附力大小，实验结果发现：聚氨酯中软段比例提高可使弹性模量变小；弹性模量调节的范围介于0.62~175MPa；聚氨酯阵列的直径尺寸变小可使阵列的有效弹性模量变小；随着粘附阵列弹性模

4、量的减少，粘附阵列的粘附力大小随之增大。这些实验结果都和理论计算值相吻合。关键词：仿生壁虎聚氨酯多巴胺纳米压痕仪弹性模量粘附力IAbstractABSTRACTGeckoscanwalkfreelyonthewalls,ceilingsandanyothersurfaces,whichattractedthefocusoftheresearchersinrecentyears.Theclimbingabilityofgeckosisattributedtofibrillararrays,consistingofstiff,hydrophobicβ-kerati

5、nwhichcoversthebottomofgecko’sfeet.SuchhighdryadhesionbetweenthefeetandsurfacesoriginatesfromVanderWaalsforces.Tomimicgeckofoothairs,surfacedesignparameterssuchaspillarsize,shape,elasticmodulus,ortiltangleneedtobeconsidered.Tosimulatethematerialswithmicrostructurehasahighpracticalva

6、lue.Musselshaveaspecialadhesiontosurfaceinthewater.Theamazingabilityofadhesionisduetoakindofproteinsinmusselsthatisdopamine(DOPA).EithernaturalorsyntheticDOPAhasanexcellentadhesion.ThehighercontentoftheDOPAhasagreateradhesion.Dopamine-modifiedmicroarrayshaveanabilityofadhesioninawet

7、environment.Itcanbroadentheapplicationofthemicroarraysbythemodificationofdopamine-polymer.Inthefirstchapter,wereviewedthedevelopmentofbio-mimickgeckoandgeneralizethemechanismoftheadhesionanddetachment.Inaddition,weintroducedthepreparationofthegecko-inspiredarraysbydifferentmethodsan

8、ddifferentmaterials