基于树蛙脚掌的多级微纳界面功能化专题,专访北京航空航天大学陈华伟教授课题组

2020-09-02

北京航空航天大学陈华伟教授课题组近期在《Advanced Science发布最新研究成果“Micro–Nano Hierarchical Structure Enhanced Strong Wet Friction Surface Inspired by Tree Frogs”,其研究工作中涉及的高精密微尺度3D打印技术由深圳摩方材料科技有限公司提供,因此摩方公司就这一创新型成果进行更进一步的访谈,访谈对象为北京航空航天大学陈华伟教授,内容如下:

  • 请问你们课题组主要在做哪方面的科研工作?对高精密3D打印的需求有哪些?

陈华伟教授:我们实验室来自北京航空航天大学机械工程及自动化学院,长期从事微纳表界面科学、医工交叉等方面的研究工作。随着现阶段微纳技术和生物科学的快速推进,对功能表面的制备提出了更高的要求,包括材质的多样化、多材质的复合加工、微纳结构的高精度化、多级复杂结构,以及大面积快速制备成型等。3D打印技术作为一种高精度结构成型技术,相比于半导体微纳制备工艺在材料多样性和复杂结构制备上有着更多的选择。

  • 能概述一下近期发布在《Advanced Science》的仿生相关研究所取得的突破和进展吗?(开发过程、应用情况、行业影响等)

陈华伟教授:长久以来,树蛙脚掌的强湿摩擦特性获得了大量研究者的关注。与壁虎脚掌通过刚毛的范德华力产生粘附摩擦相比,树蛙脚掌受到环境液体或自分泌粘液影响而无法形成范德华力,揭示其界面的强湿粘附机制,对探索微纳流体和界面固-液微纳耦合作用有着重大意义,也为精准医疗器械和可穿戴传感等新兴领域的界面接触研究提供了基础。

树蛙常见的湿摩擦解释为,其脚掌在外压力作用下,通过表面沟槽挤排出界面液体,提高固-固接触,增大摩擦,与车轮表面的纹路作用类似,但该原理与树蛙脚掌无外力作用下的强摩擦相矛盾。另一种解释是树蛙脚掌分泌出粘性粘液,能够将脚掌和基底粘合在一起,但通过测量脚掌粘液的粘度,发现其与纯水几乎无差异。树蛙脚掌强湿摩擦之所以难以得到合理的解释,主要原因在于粘液膜处于固-固界面之间,难以直接被观察表征,其尺度又处于微纳米级别,进一步加剧了表征难度。

本实验室与清华大学雒院士团队合作,通过薄膜干涉原理,建立了界面纳米液膜原位表征方法,通过实时动态观测薄膜干涉条纹运动,观察到了纳米尺度的界面液膜变化和液膜毛细力对棱柱的变形作用。经过估算,在棱柱和液膜间的固-液相互作用下,棱柱界面可以产生低于200 nm厚度的液膜,可形成7倍大气压吸附力使棱柱紧紧贴合基底表面。这就可说明树蛙脚垫即使在没有外压力作用下,仍能够产生极强湿摩擦。进一步在江雷院士的指导下,揭示了微纳特征结构对界面液膜的调控规律,建立了纳米液膜增强机制。张力文博士为本文第一作者。

本研究通过揭示树蛙脚掌利用其微纳多级结构形成的独特界面液膜调控作用,发展出液膜自碎化增效和凹坑自吸附增强效应,通过在界面间形成的纳米液膜的强毛细吸附作用,达到了无外压力下产生强湿边界摩擦的效果。为湿粘附增强提供了一种新的方案,为实现精准医疗、可穿戴传感等领域的接触增强提供了新思路和新方法。

  • 请问,在该研究过程中,深圳摩方公司的高精密微尺度3D打印技术发挥了什么样的作用?其带来的效果或影响如何?

陈华伟教授:传统三维加工工艺,如SU-8光刻或者半导体硅工艺等,适合加工投影类的三维结构,进一步复杂的三维结构也必须限制于能够通过多次投影形状复合,而对球、梯台等非投影类三维结构,则难以通过以上方式制备,限制了微纳理论的推进和仿生科学的研究。3D打印作为一种Bottom-up的制造工艺,不受结构本身形状特征限制,能够有效的解决球、梯台等非投影类三维结构的制备问题。本项研究为了验证粗糙对界面液膜影响,需要将粗糙基底表面放大、简化成微米尺度的密排凸包阵列,3D打印制备方法为此提供了一种有效快速的解决途径。相比于普通3D打印的低精度,BMF提供了2 μm精度的3D打印技术,能够为本实验提供更小尺度、更高精度的实验样品,从而更准确的验证了研究理论的正确性。

 

 

论文信息:

Micro–Nano Hierarchical Structure Enhanced Strong WetFriction Surface Inspired by Tree Frogs

Liwen Zhang, Huawei Chen*, Yurun Guo, Yan Wang, Yonggang Jiang, Deyuan Zhang, Liran Ma,Jianbin Luo, Lei Jiang

论文链接:http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001125

 

  • 北京航空航天大学陈华伟教授课题组

课题组来自北京航空航天大学机械工程及自动化学院,长期从事微纳表界面科学、医工交叉等方面的研究工作,师法自然,从自然中汲取创新灵感,在揭示生/机界面效应规律中首次发现了超湿滑、强湿摩擦及微纳界面流体新现象与新机制,提出了生/机界面创新设计新方法,研制出仿生医疗器械及表面功能化制造设备,成功应用精准医疗器械防粘防滑,发表了国内机械工程学科首篇 Nature;在植/介入、可穿戴传感技术领域,提出了微纳结构仿生增效设计方法,研制出基于微结构信号增强的柔性生物信号传感器。实验室承担30余项科研项目,包括国家自然科学基金重大、重点项目、国家重点研发计划等,获得国家自然科学基金杰出青年基金、“万人计划”创新领军人才和日本 JSPS学者支持。发表研究论文 80 余篇,其中近五年发表 SCI 论文 30 篇包括Nature、Nature Materials、Advanced Materials 等,获批专利 20 项,合著专著 4 部。

 

  • 深圳摩方材料科技有限公司(BMF Material Technology Inc)

专注于高精密微尺度3D打印领域,是全球微尺度3D打印技术及精密加工能力解决方案提供商。目前,摩方拥有全球领先的超高打印精度(2μm/10μm/25μm),高精密的加工公差控制能力(±10μm/ ±25μm/±50μm),配置韧性树脂、硬性树脂、耐高温树脂、生物树脂等打印材料,提供制造复杂三维微纳结构技术解决方案,同时,可结合不同材料和工艺,实现终端产品高效、低成本批量化生产及销售。