[發明專利]仿生壁虎復合微陣列的制備方法

有效

• 申請號: 201310592837.5
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN103552981A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 劉宇艷;張恩爽;謝志民;呂通;譚惠豐
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00;C25D11/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及仿生壁虎復合微陣列的制備方法。

背景技術

幾個世紀以來許多動物優異的生理功能吸引了各界科學家的廣泛關注。例如，蚊子可以輕松粘附在人體皮膚上叮咬；生活在粘濕土壤環境中的蜣螂具有優良的抗粘附功能；跳蛛和壁虎腳底剛毛的粘附作用使其能在墻壁和天花板，甚至光滑的玻璃上來去自由。上述動物的共同特點是都具有剛毛（seta）結構，剛毛群構筑（architecture）的不同導致其功能的多樣化。其中壁虎腳上功夫尤為神奇，無論是空氣環境還是在水里以及真空環境中，它腳上的粘著力都不會失效。爬壁機器人在民用、軍事、航天上具有廣泛的用途,?因而越來越受到人們的重視。在民用領域，爬壁機器人被用來清洗大廈外壁墻面和玻璃、檢測艦船船體、檢測核密封罐等；在軍事反恐領域，爬壁機器人可用來進行偵察竊聽、研制蛙人等；在航天領域，爬壁機器人可用來進行艙外維修等。這種干性粘附優于其他吸附原理，對環境和壁面具有普適性，是爬行機器人理想的吸附方式。因此，制備一種具有良好吸附能力的人造仿生壁虎腳是爬行機器人的關鍵技術。

一只大壁虎可以產生大于20?N的總黏附力，平均每227?mm²的腳掌面積有力承受43?g動物的體重。產生這種神奇力量的原因是壁虎具有分等級的剛毛群結構，虎腳掌覆蓋著成千上萬密度約為5300?/?mm²的剛毛，每根剛毛長度為30-300μm長。每個剛毛是由幾百個大小為0.2-0.5μm的分支組成。

雖然全世界的壁虎有1000多種，由于生存環境差異每種壁虎在體重身長等方面不同，但基本吸、脫附機理是一致的?？茖W家們一直對壁虎腳掌的粘著機理進行研究。2000年，路易斯-克拉克學院的Autumn?測量了單根壁虎腳掌剛毛的粘著力，證明了剛毛與物體表面接觸的粘著力是通過分子間的范德華作用力實現的。排除了其他諸如毛細管濕性粘力理論（wetadhesion）、微連鎖理論（Micro-interlocking）、靜電吸引（Electrostatics）等理論。由于范德華力沒有方向性和飽和性，盡管它的絕對值很小，只要數量足夠多就能產生足以支持壁虎全身重量的力。

2005年確認了壁虎膠粘劑應具備的幾個重要的功能屬性：(1)黏附力具有各向異性，壁虎腳掌在吸附和脫附時，剛毛的拉伸方向和剛毛末端的壓舌板的的幾何形狀不同。(2)小預加載下粘附力強。(3)能夠快速、輕松地脫附，壁虎可以在15ms內進行快速吸附和脫附。(4)對各種材料的粘附作用具有普適性，由于范德華力是一種分子間作用力具有普適性，壁虎粘附可以粘附于任何材料表面。(5)具有自清潔能力和不發生自身粘附；壁虎膠的分等級結構本身具有超疏水性，且β-角蛋白。(6)默認狀態下是無粘性。(7)滑動時也能夠維持高水平的粘附。

目前制備仿壁虎腳微陣列的制備方法有光刻法、感應耦合等離子體刻蝕(ICP)?法、電子束和氧等離子體干刻蝕法、AFM刻蝕法、氧化鋁模板法等。雖然上述方法均可用于制備壁虎膠帶，但這些制備方法設備昂貴，成本高，實驗環境比較苛刻，難以實現工業化生產。因此既簡單又經濟的制備方法，可有效解決微突起易倒塌或粘連等技術難題，是今后該領域的研究重點。

發明內容

本發明的目的是提供一種仿生壁虎復合微陣列的制備方法，采用陽極氧化法結合浸漬法制備TiO₂納米管/?PDMS復合微陣列。陽極氧化法制備微陣列是一種簡單、方便、成本低、參數可控的方法，該方法在金屬Ti片上直接原位氧化制備的仿壁虎腳微陣列無需去除模板，解決了現有方法成本高、操作復雜、脫模困難的問題，有望實現工業化生產。

本發明的仿生壁虎復合微陣列的制備方法，步驟如下：

第1步、采用陽極氧化法制備TiO₂納米管微陣列：

以0.1-5wt%的HF溶液作為電解液，Ti片作為陽極，鉑片作為陰極，在電解槽中進行陽極氧化，控制兩極間距離為?2-5cm，電壓為10-60V，氧化時間為2?min?-25h；取出氧化后Ti進行反復水沖洗，干燥，得到一維TiO₂納米管陣列；

第2步、浸漬法制備TiO₂納米管/?PDMS復合微陣列

將上述TiO₂納米管陣列浸漬在0.01-10%（w/w）聚二甲基硅氧烷（PDMS）的三氯甲烷溶液中，經過0.2-2h后取出，在溫度為25-100℃下固化0.5-24h，得到TiO₂納米管/?PDMS復合微陣列。