3D打印仿生“麥芒”實現(xiàn)可調控各向異性摩擦及定向驅動

野生麥子如何鉆進土壤，實現(xiàn)野外自適應播種？麥芒卡到嗓子里，為何越咳越深？這些看起來不起眼的現(xiàn)象背后實際上隱藏著尚未被認識的科學機制，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)象背后的科學機制。

科研人員對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硬倒刺（圖1a），其摩擦學性能測試呈現(xiàn)出典型的摩擦各向異性特征（圖1b）。隨后，研究人員做了一個很有意思的實驗：他們將麥芒放入了橡膠管內，當拉伸橡膠管時發(fā)現(xiàn)麥芒可在管內定向移動，且移動速度隨著拉伸頻率的加快而增大。受此啟發(fā)，研究人員通過光固化3D打印技術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控（圖1c），并能夠很好地與被接觸基底表面進行相互作用，實現(xiàn)摩擦各向異性的最大化（圖1d），這為其在定向驅動和貨物運輸方面的應用提供了基礎。一個質量僅0.01 g的3D打印仿麥芒模型體可以驅動質量高達120 g的貨物在克服水平摩擦力的條件下產生定向移動（圖1e）。

為了更深層次地認識仿麥芒定向遷移機制，蘭州化物所和英國帝國理工學院科研人員合作，采用棘輪模型從界面接觸力學和摩擦學角度對實驗結果背后的科學機制進行了系統(tǒng)詮釋，并建立了相應的數(shù)學模型；實驗測試結果和理論模擬結果能夠很好的吻合。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摩擦力曲線；（c）通過3D打印技術制備得到的人造麥芒結構體顯微鏡照片；（d）人造麥芒正反向滑動摩擦力曲線；（e）利用人造麥芒在橡膠管內的定向移動輸運貨物

雖然實現(xiàn)了麥芒的仿生制造，但如何從被動走向主動、實現(xiàn)摩擦各向異性的動態(tài)調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，這意味著定向遷移是不可逆的，制備出的器件面臨著易進難退的問題，針對這一問題，研究人員結合材料模量調控，設計構筑了基底強度和表面倒刺取向角度可動態(tài)調節(jié)的各向異性仿生表界面材料，初步實現(xiàn)了仿生取向結構表界面各向異性摩擦行為的智能調控。如圖2所示，研究人員采用轉移復制的方法，將3D打印得到的取向性倒刺結構埋植于加了光熱Fe3O4納米粒子的PLA基底中，NIR照射下光熱Fe3O4納米粒子生熱導致基底材料軟化，其表面取向性倒刺在載荷動態(tài)作用下角度可原位發(fā)生改變，從而引起正反兩個方向的摩擦力差異發(fā)生顯著改變，實現(xiàn)了仿生表面各向異性摩擦行為的動態(tài)調控。

圖2. 構筑倒刺角度具有光熱響應調控特性的摩擦各向異性取向表面

這種光熱響應的摩擦各向異性材料可被用作智能開關，實現(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. 基于以上研究結果，研究人員正在致力于開發(fā)一系列各向異性摩擦器件，未來將積極探索其在工程以及生物醫(yī)療領域的應用。

來源： MaterialsViews