3D打印仿生“麥芒”實(shí)現(xiàn)可調(diào)控各向異性摩擦及定向驅(qū)動(dòng)

野生麥子如何鉆進(jìn)土壤，實(shí)現(xiàn)野外自適應(yīng)播種？麥芒卡到嗓子里，為何越咳越深？這些看起來(lái)不起眼的現(xiàn)象背后實(shí)際上隱藏著尚未被認(rèn)識(shí)的科學(xué)機(jī)制，即摩擦各向異性。最近，中科院蘭州化物所材料表界面與工程應(yīng)用課題組分別在Small和Advanced Materials Interfaces上發(fā)表的研究工作系統(tǒng)地揭示了摩擦各向異性現(xiàn)象背后的科學(xué)機(jī)制。

科研人員對(duì)野外采集的麥芒樣本觀察發(fā)現(xiàn)麥芒上分布著許多取向性堅(jiān)硬倒刺（圖1a），其摩擦學(xué)性能測(cè)試呈現(xiàn)出典型的摩擦各向異性特征（圖1b）。隨后，研究人員做了一個(gè)很有意思的實(shí)驗(yàn)：他們將麥芒放入了橡膠管內(nèi)，當(dāng)拉伸橡膠管時(shí)發(fā)現(xiàn)麥芒可在管內(nèi)定向移動(dòng)，且移動(dòng)速度隨著拉伸頻率的加快而增大。受此啟發(fā)，研究人員通過(guò)光固化3D打印技術(shù)成功制造出了仿麥芒模型體。同天然麥芒相比，人造麥芒上面的倒刺尺寸、排布密度和傾斜角度可自由調(diào)控（圖1c），并能夠很好地與被接觸基底表面進(jìn)行相互作用，實(shí)現(xiàn)摩擦各向異性的最大化（圖1d），這為其在定向驅(qū)動(dòng)和貨物運(yùn)輸方面的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。一個(gè)質(zhì)量?jī)H0.01 g的3D打印仿麥芒模型體可以驅(qū)動(dòng)質(zhì)量高達(dá)120 g的貨物在克服水平摩擦力的條件下產(chǎn)生定向移動(dòng)（圖1e）。

為了更深層次地認(rèn)識(shí)仿麥芒定向遷移機(jī)制，蘭州化物所和英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院科研人員合作，采用棘輪模型從界面接觸力學(xué)和摩擦學(xué)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的科學(xué)機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)詮釋?zhuān)�并建立了相�?yīng)的數(shù)學(xué)模型；實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和理論模擬結(jié)果能夠很好的吻合。該研究工作最近發(fā)表在Small上（DOI: 10.1002/smll.201802931）, 麻拴紅博士是論文的第一作者，中科院蘭州化物所的王曉龍，周峰研究員和帝國(guó)理工的Daniele Dini教授為共同通訊作者。

圖1. (a) 天然麥芒顯微鏡和SEM照片；（b）天然麥芒正反向滑動(dòng)摩擦力曲線；（c）通過(guò)3D打印技術(shù)制備得到的人造麥芒結(jié)構(gòu)體顯微鏡照片；（d）人造麥芒正反向滑動(dòng)摩擦力曲線；（e）利用人造麥芒在橡膠管內(nèi)的定向移動(dòng)輸運(yùn)貨物

雖然實(shí)現(xiàn)了麥芒的仿生制造，但如何從被動(dòng)走向主動(dòng)、實(shí)現(xiàn)摩擦各向異性的動(dòng)態(tài)調(diào)控始終困擾著研究人員。仿生麥芒上倒刺傾斜角度是死的，不能自由活動(dòng)，這意味著定向遷移是不可逆的，制備出的器件面臨著易進(jìn)難退的問(wèn)題，針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員結(jié)合材料模量調(diào)控，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了基底強(qiáng)度和表面倒刺取向角度可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的各向異性仿生表界面材料，初步實(shí)現(xiàn)了仿生取向結(jié)構(gòu)表界面各向異性摩擦行為的智能調(diào)控。如圖2所示，研究人員采用轉(zhuǎn)移復(fù)制的方法，將3D打印得到的取向性倒刺結(jié)構(gòu)埋植于加了光熱Fe3O4納米粒子的PLA基底中，NIR照射下光熱Fe3O4納米粒子生熱導(dǎo)致基底材料軟化，其表面取向性倒刺在載荷動(dòng)態(tài)作用下角度可原位發(fā)生改變，從而引起正反兩個(gè)方向的摩擦力差異發(fā)生顯著改變，實(shí)現(xiàn)了仿生表面各向異性摩擦行為的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

圖2. 構(gòu)筑倒刺角度具有光熱響應(yīng)調(diào)控特性的摩擦各向異性取向表面

這種光熱響應(yīng)的摩擦各向異性材料可被用作智能開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)物件在斜坡或垂直方向的可控釋放。該研究工作近期發(fā)表在Advanced Materials Interfaces 上（DOI: 10.1002/admi.201801460），論文第一作者是博士生姬忠瑩，通訊作者王曉龍研究員. 基于以上研究結(jié)果，研究人員正在致力于開(kāi)發(fā)一系列各向異性摩擦器件，未來(lái)將積極探索其在工程以及生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

來(lái)源： MaterialsViews