Science Advances：仿生納米纖維棱柱強(qiáng)濕摩擦新機(jī)制

近期，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院陳華偉團(tuán)隊(duì)在《Science Advances》上發(fā)表仿生濕摩擦機(jī)制新發(fā)現(xiàn)，論文題為“Nanofiber embedded bioinspired strong wet friction surface”，陳華偉教授、張力文為通訊作者，博士生郭雨潤為第一作者。

界面濕粘附濕摩擦普遍存在于生物及機(jī)電器件，尤其隨著精準(zhǔn)醫(yī)療的開展，以可穿戴柔性電子為代表的生機(jī)接觸界面濕粘附規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制受到高度關(guān)注。前期，研究團(tuán)隊(duì)表征分析了樹蛙腳墊微納六棱柱陣列表面上的液膜自碎化、自吸附行為規(guī)律，揭示了密排棱柱結(jié)構(gòu)表面上均勻液膜形成及強(qiáng)濕摩擦機(jī)制（Adv. Sci. 2020, 7(20): 2001125），進(jìn)一步順利獲得梯度棱柱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對濕摩擦的調(diào)控（Adv. Funct. Mater. 2022, 32(47): 2205804），為生/機(jī)界面濕粘附摩擦增效給予了新方法。然而，在摩擦過程中柔性微納結(jié)構(gòu)的變形顯著影響著納米液膜穩(wěn)定性，極易導(dǎo)致邊界摩擦失效，降低摩擦力，如何長時間維持界面納米液膜的穩(wěn)定性成為進(jìn)一步增強(qiáng)濕摩擦的關(guān)鍵問題。

圖1 蟈蟈和樹蛙腳墊棱柱微納結(jié)構(gòu)及邊界摩擦界面液膜運(yùn)動

螽斯科的昆蟲蟈蟈具有比樹蛙更為優(yōu)異的濕攀爬能力，與樹蛙腳墊實(shí)心棱柱結(jié)構(gòu)相比，蟈蟈腳墊光滑表面下分布著豎直的納米纖維毛陣列（圖1A-F），其邊界摩擦性能超樹蛙腳墊近4倍。界面液膜動態(tài)原位表征發(fā)現(xiàn)，蟈蟈腳墊納米液膜分離發(fā)生于近身體側(cè)（Proximal），而樹蛙腳墊液膜分離出現(xiàn)在遠(yuǎn)身體側(cè)（Distal），呈現(xiàn)出截然不同的界面液膜分離模式（圖1G），經(jīng)揭示這種相反的界面液膜動態(tài)行為是蟈蟈優(yōu)異邊界濕摩擦的重要原因。

圖2 不同仿生棱柱微納表面及其邊界摩擦對比

受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造出不同的棱柱結(jié)構(gòu)表面：仿樹蛙實(shí)心棱柱結(jié)構(gòu)（BP）、仿蟈蟈納米纖維支撐薄膜棱柱結(jié)構(gòu)（NFPF）。原位表征界面液膜行為也進(jìn)一步證實(shí)了BP棱柱、NFPF棱柱表面在剪切作用下與基底分離位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移，由BP棱柱后側(cè)（Rear）分離改變?yōu)镹FPF棱柱前側(cè)（Front）分離，與樹蛙和蟈蟈腳墊的不同液膜分離方式一致，同時NFPF邊界摩擦達(dá)到BP的兩倍（圖2）。

圖3 不同棱柱界面液膜行為及結(jié)構(gòu)變形表征

為揭示濕摩擦增強(qiáng)的機(jī)理，進(jìn)一步詳細(xì)表征了摩擦過程中棱柱形變和界面液膜運(yùn)動。BP棱柱在底部摩擦力和頂部橫向拉力的剪切作用下，棱柱前側(cè)受到明顯的擠壓應(yīng)力（圖3A），棱柱直徑變小（），棱柱后側(cè)與基底發(fā)生分離。而NFPF棱柱由于其納米纖毛可以輕易側(cè)向變形，在剪切作用下順利獲得彎曲變形極大的降低了界面分離應(yīng)力，并將分離區(qū)域轉(zhuǎn)移至棱柱前側(cè)，受此影響出現(xiàn)了棱柱直徑增大的現(xiàn)象（）。在PSAN棱柱的粗糙表面，由于厚液膜毛細(xì)力極低，在運(yùn)動中流動至棱柱后側(cè)，棱柱未出現(xiàn)明顯的變形，摩擦力幾乎為零（圖3C）。

Movie 摩擦過程中不同棱柱形變和界面液膜運(yùn)動

NFPF棱柱在摩擦過程中表現(xiàn)出比BP棱柱更強(qiáng)的界面液膜保持能力，而且隨著NFPF棱柱高度的增加，其界面液膜更穩(wěn)定，邊界摩擦力更強(qiáng)，這種由結(jié)構(gòu)變形和界面液膜行為耦合的動態(tài)相互作用最終賦予了NFPF表面和蟈蟈腳墊穩(wěn)定強(qiáng)濕摩擦能力。

圖4 不同棱柱變形理論模型建立及陣列棱柱界面液膜動態(tài)行為

在此基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步建立了相關(guān)理論模型，理論驗(yàn)證了BP和NFPF棱柱的界面應(yīng)力傳遞行為（圖4A-B）。面向精準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)用，提出了強(qiáng)濕粘附強(qiáng)濕摩擦表面仿生設(shè)計(jì)制造方法，并應(yīng)用在可穿戴柔性傳感貼片表面，提高生物傳感貼片的檢測精度。

圖5 仿生強(qiáng)濕摩擦表面在柔性傳感貼片上的應(yīng)用及其濕粘附性能

該研究揭示了仿生納米纖維棱柱陣列對濕摩擦的影響機(jī)制，順利獲得對界面液膜運(yùn)動和棱柱變形的原位表征，發(fā)現(xiàn)仿生納米纖維棱柱在濕摩擦中存在特殊的界面應(yīng)力轉(zhuǎn)移效應(yīng)，提高了棱柱界面納米液膜的穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的濕摩擦力，最后建立了界面接觸應(yīng)力轉(zhuǎn)移和濕摩擦增效理論，并驗(yàn)證了仿生強(qiáng)濕摩擦表面在可穿戴電子設(shè)備上的應(yīng)用。

該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、創(chuàng)新群體（Nos. 51935001, T2121003, 51905022, & 51725501）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2019YFB1309702）等項(xiàng)目資助。

文章來源：高分子科學(xué)前沿

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