蛇皮非對稱結(jié)構(gòu)啟發(fā)增阻/減阻表面的設(shè)計與構(gòu)筑

聞治瑄， 辛偉聞， 徐 倩， 陳偉鵬， 周 騰，房若辰， 孔祥玉， 江 雷

（1. 北京航天航空大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 北京 100191;2. 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院仿生材料與界面科學(xué)重點實驗室, 北京 100190;3. 海南大學(xué)機電工程學(xué)院, ?？?570228）

在自然界中， 生物為了適應(yīng)生活環(huán)境而進化出種類繁多的特殊功能化表面結(jié)構(gòu). 錦蛇是一種常見的蛇類， 一般棲息于沿海低地及內(nèi)陸平原、 丘陵和山區(qū)， 常見于流溪、 水稻田、 池塘及其附近地區(qū). 其體表鱗片光滑， 然而， 體表不同部位的表皮呈現(xiàn)出完全不同的結(jié)構(gòu)特征， 背部為花紋結(jié)構(gòu)， 由方形鱗片組成， 腹部為緊密的層疊鱗片［1，2］. 這預(yù)示著錦蛇體表結(jié)構(gòu)差異可能與其生活習(xí)性具有特殊的內(nèi)在聯(lián)系.

近年來， 受自然啟發(fā)的智能材料領(lǐng)域快速發(fā)展. 仿生材料的最大特點是功能確定性與可設(shè)計性，科研人員從自然界提取出生物原型， 闡明其構(gòu)效關(guān)系， 并進一步設(shè)計出能夠有效感知外界環(huán)境刺激并迅速做出反應(yīng)的新型智能材料［3～9］. 如， 荷葉表面的水滴無法鋪展開， 一直保持球形滾動狀. 據(jù)此現(xiàn)象， 科研人員通過觀察荷葉的結(jié)構(gòu)， 發(fā)現(xiàn)其表面具有微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)以及疏水層而成就了“荷葉效應(yīng)”［10，11］. 科研工作者根據(jù)這些特征設(shè)計出超疏水涂料， 將其涂到建筑表面， 在下雨時可以讓雨水有效地帶走表面上的灰塵， 使建筑物長期保持清潔［12］. 根據(jù)物體的不同作用方式， 可將物體的阻力分為興波阻力、 壓差阻力以及摩擦阻力， 其中摩擦阻力對運動物體的速度以及能量消耗等方面能產(chǎn)生重要影響. 到目前為止， 實現(xiàn)物體減阻的方法有氣泡減阻、 彈性界面減阻、 聚合物添加劑減阻和仿生減阻［13～16］. 仿生減阻是通過向自然學(xué)習(xí)， 獲得設(shè)計靈感， 包括流線型的形態(tài)、 表面獨特結(jié)構(gòu)和生理系統(tǒng)特征. 如， 研究人員通過對鯊魚表面盾鱗結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計， 制備出不同截面形狀的肋條表面， 并實現(xiàn)了減阻效果. 海豚表面具有優(yōu)異的力學(xué)性能， 以此為設(shè)計思路， 研究者們制備了彈性順應(yīng)性涂層. 此外， 受荷葉“出淤泥而不染”的啟發(fā)， 研究人員設(shè)計制備了仿生超疏水低表面能減阻材料［17～20］. 部分海洋生物隨氣候的變化需要進行遷徙， 其表皮微結(jié)構(gòu)在此過程中發(fā)揮了極其重要的作用. 研究發(fā)現(xiàn)， 海洋生物表面可以有效地減小遷徙時所受的海水阻力， 確保其能夠順利完成遷徙［21］. 此外， 許多動物具有很強的攀爬附著能力， 它們往往利用摩擦力來傳遞動力和防止滑動. 科學(xué)家們以蒼蠅、 螞蟻和蜜蜂等腳部柔性表皮墊子為仿生對象， 構(gòu)筑了具有凹坑式吸盤結(jié)構(gòu)的仿生表面， 實現(xiàn)材料表面阻力的顯著提升［22］. 在自然界中， 壁虎以及爬山虎等動植物通過提高表面褶皺增大與物體間的接觸面積以及粗糙度來增大摩擦力與阻力. 受此啟發(fā)， 研究人員發(fā)明了爬行裝置， 可實現(xiàn)在豎直光滑的墻面進行攀爬.針尾草利用倒置鉤狀結(jié)構(gòu)可以黏附在衣物表面， 這啟發(fā)人們發(fā)明了魔術(shù)貼， 廣泛應(yīng)用于服裝、 皮包及各種機械設(shè)備［23］. 因此， 利用仿生技術(shù)研究增摩、 增阻機理具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值.

本文利用聚二甲基硅氧烷， 采用復(fù)形的方法成功制備出類似于蛇皮腹部和背部的表面材料， 驗證了蛇皮表面增阻、 減阻機理， 有限元模擬分析結(jié)果證明了表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了材料的增阻/減阻功能. 這種材料設(shè)計策略有望應(yīng)用在船舶制造、 飛機蒙皮設(shè)計等領(lǐng)域.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

去離子水， Milli-Q， Millipore， 超純水； 1，2-二氯甲烷， 分析純， 北京化工廠； 錦蛇蛇皮購自北京市海淀區(qū)濟安堂藥店； 聚二甲基硅氧烷（PDMS， Sylgard 184， Dow Corning）、 1H， 1H， 2H， 2H-全氟辛基三甲氧基硅烷， 分析純， 購于美國百靈威公司.

DCAT11 型動態(tài)接觸角儀， Dataphysics 公司； OCA20 型靜態(tài)接觸角儀， Dataphysics 公司； 電子天平， 梅特勒-托利多儀器上海有限公司； ContourGT-K1型白光干涉儀， 德國Bruker公司； S-4800 型掃描電子顯微鏡， 日本HITACHI公司； UMT TriboLab型摩擦磨損試驗機， 德國Bruker公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 白光干涉儀測試 將蛇皮平置于玻璃板上， 用手術(shù)刀片將環(huán)形的蛇皮按背部和腹部進行分離，取其中較為平整、 弧度較小的部分進行測試. 將裁下的蛇皮用高純氮氣吹凈， 放在塑料培養(yǎng)皿中備用. 將背部蛇皮和腹部蛇皮分別粘在玻璃片上， 利用白光干涉儀進行觀察. 測量時， 先將樣品移至鏡頭下的光斑處， 通過軟件操控鏡頭緩慢靠近樣品表面， 當(dāng)軟件中的視野出現(xiàn)明顯干涉條紋時， 設(shè)置鏡頭模式為back scan 5 μm， 掃描深度為20 μm， 點擊測量即可.

1.2.2 掃描電子顯微鏡測試 在電鏡臺上粘上導(dǎo)電膠， 再將背部蛇皮和腹部蛇皮粘在導(dǎo)電膠上， 噴金處理后， 利用掃描電子顯微鏡進行觀察.

1.2.3 靜態(tài)接觸角測試 在空氣中測量時， 將背部蛇皮和腹部蛇皮分別粘在玻璃片上， 利用注射針頭緩慢滴出2 μL水滴在樣品表面， 通過自配軟件拍照記錄. 在水下測量時， 先將注射針頭伸入水下， 將液體換成1，2-二氯甲烷， 按與在空氣中測試時相同的方法進行測量和記錄.

1.2.4 動態(tài)接觸角測試 利用動態(tài)接觸角儀對蛇皮的水黏附力性能進行測量. 將蛇皮樣品貼在玻璃片上， 并將其置于測量系統(tǒng)的升降臺上. 在銅帽上掛一滴水滴（5 μL）， 調(diào)節(jié)升降臺的距離為1.8 mm， 將水滴和樣品進行擠壓和釋放， 通過微電子天平系統(tǒng)記錄該過程中液滴的受力變化.

1.2.5 摩擦磨損測試 摩擦磨損測試中所使用的探頭為三氧化鋁， 膜表面應(yīng)力設(shè)置為10 mN， 傳感器移動速率為1 mm/s. 利用雙面膠將真實或仿生（測試時材料經(jīng)過水溶液浸泡）腹部或背部蛇皮（長為3 cm， 寬為1 cm）平鋪到玻璃板上， 壓實后， 放置到摩擦磨損儀上進行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 蛇皮表面形貌

錦蛇是最常見的蛇類［圖1（A）］， 廣泛分布在世界各地， 表明這種蛇的生活習(xí)性和生存本領(lǐng)適應(yīng)了自然的選擇， 錦蛇背部蛇皮由多個菱形軟甲片緊密排列組成［圖1（B）］， 其表面光滑、 整齊有序、 有層次感. 菱形軟甲互相不重疊、 平行排列， 結(jié)構(gòu)之間由軟體物質(zhì)連接. 菱形軟甲的底角正對著毗鄰的菱形軟甲頂角. 菱形軟甲的左下角平行對著毗鄰菱形軟甲的右上菱邊； 菱形軟甲的右下角平行對著毗鄰菱形軟甲的左上菱邊， 依次角對角、 邊對邊， 排列整齊， 傾斜成行， 整體有序.

腹部蛇皮是一排角質(zhì)甲片， 平滑細膩， 排列整齊有序［圖1（C）］. 甲片之間互相重疊， 每一塊甲片的兩端與腹部背部的交界處相連， 并且分別與背部傾斜下來的菱形甲片依次連接， 二者邊對邊平行排列， 互不交叉重疊. 與背部蛇皮最大的差異在于腹部蛇皮的軟甲是縱向排列， 并且每一片尺寸更大，寬度與蛇自身寬度相近. 蛇在運動過程中需要腹部提供足夠的摩擦力， 背部盡量降低與空氣及周圍環(huán)境間的摩擦. 因此， 對蛇皮表面的微觀結(jié)構(gòu)形貌進行了研究. 本文支持信息圖S1為蛇背部結(jié)構(gòu)的白光干涉結(jié)果， 圖中的虛線表明蛇皮背部結(jié)構(gòu)明顯呈現(xiàn)出取向性， 同時也發(fā)現(xiàn)蛇皮的垂直方向表現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)， 這表明除了大尺度的取向外， 蛇皮表面還存在有更細微的結(jié)構(gòu). 因此， 利用掃描電子顯微鏡分別對蛇的腹部和背部結(jié)構(gòu)進行觀察. 結(jié)果如圖1（D）和（E）所示， 蛇皮背部呈現(xiàn)出明顯的多級結(jié)構(gòu)，蛇皮呈橫向取向排布， 鱗片上存在縱向取向且連貫的溝壑. 這類結(jié)構(gòu)有利于水在表面的存儲， 增加潤滑作用， 減小阻力. 然而， 蛇皮腹部呈現(xiàn)出縱向密集排布［圖1（F）和（G）］， 這類結(jié)構(gòu)有利于高效排去表面的水滴， 減小水滴的潤滑作用， 增加表面摩擦力［24～27］. 通過所觀察的蛇皮掃描電子顯微鏡形貌， 簡化構(gòu)建了蛇皮背部［圖1（H）］和腹部［圖1（I）］的表面結(jié)構(gòu)模型.

Fig.1 Characterization of surface microstructure of snakeskin

2.2 蛇皮背部腹部的浸潤性以及黏附力

蛇皮是硬化的角質(zhì)層， 由已經(jīng)死亡的扁平角質(zhì)細胞組成， 其主要成分是富有組氨酸的蛋白質(zhì). 蛇皮表面的浸潤性質(zhì)與黏附性質(zhì)對蛇類運動的具有重要影響. 因此， 分別對背部蛇皮和腹部蛇皮的浸潤性以及黏附力進行了表征. 通過靜態(tài)接觸角測定儀測定了蛇皮背部和腹部的接觸角（CA）. 如圖2（A）所示， 蛇皮背部的水接觸角約為110°， 水下油接觸角約為60°［圖2（B）］， 表明蛇皮背部具有一定的疏水性， 且背部的水被蛇皮表面的微結(jié)構(gòu)所限制， 無法有效鋪展； 而腹部的接觸角約為72°， 水下油接觸角約為103°， 呈現(xiàn)出一定的親水性， 且腹部結(jié)構(gòu)有利于水的運動和鋪展［28］.

Fig.2 Contact angle and adhesive properties of snakeskins

進一步利用動態(tài)接觸角測定儀對蛇皮背部和腹部進行水的黏附力測試. 如圖2（C）和（D）所示， 蛇皮背部的黏附力為13.7 μN， 小于蛇皮腹部的黏附力14.7 μN， 故腹部可保證一定的摩擦力， 為蛇的運動提供驅(qū)動力， 而背部則與周圍環(huán)境的阻力較小， 利于蛇的快速移動. 此外， 針對蛇皮背部和腹部的摩擦磨損測試表明， 蛇皮背部的摩擦力小于腹部摩擦力， 這與上述結(jié)果一致（見本文支持信息圖S2）.

2.3 蛇皮表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)的增阻減阻材料的制備

PDMS是一種易于加工、 高彈性、 耐高溫的材料， 常用于精細結(jié)構(gòu)的復(fù)形制備， 本文選擇了PDMS作為蛇皮結(jié)構(gòu)的復(fù)形材料［29］. 實驗中使用了道康寧Sylard 184型號雙組分膠： PDMS主劑與固化劑. 通過調(diào)整PDMS主劑與固化劑的比例， 能夠得到不同性質(zhì)的固體PDMS材料. 本實驗選擇了PDMS主劑與固化劑的質(zhì)量比10∶1. 首先， 稱取60 g PDMS主劑和6 g固化劑， 將兩個組分混合之后， 使用玻璃棒勻速攪拌15 min， 保證混合均勻. 由于PDMS主劑和固化劑都具有一定的黏度， 因此混合均勻后需要先靜置， 以除去液體中由攪拌產(chǎn)生的較大氣泡. 將蛇皮按照背部和腹部分別用雙面膠粘在玻璃培養(yǎng)皿底部， 多余的部分用剪刀剪掉. 然后將混合均勻的PDMS前驅(qū)體混合溶液傾倒在蛇皮表面， 讓PDMS完全覆蓋蛇皮. 隨后將玻璃培養(yǎng)皿放入真空干燥器中， 低壓抽氣30 min， 取出后放入烘箱內(nèi)， 在80 ℃的恒溫下熟化12 h， 最終得到具有蛇皮結(jié)構(gòu)的仿生背部［圖3（A）］和腹部［圖3（B）］材料.

Fig.3 Biomimetic notum(A) and belly(B) composed of PDMS

2.4 蛇皮表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)的增阻減阻材料的結(jié)構(gòu)表征

為了驗證復(fù)形的效果， 先對具有蛇皮結(jié)構(gòu)的PDMS進行了白光干涉表征. 白光干涉圖像表明（見本文支持信息圖S3）， 復(fù)形的PDMS表面具有微結(jié)構(gòu). 進一步利用掃描電子顯微鏡對復(fù)形的PDMS表面進行觀察. 如本文支持信息圖S4 所示， 蛇皮背部復(fù)形的PDMS 呈現(xiàn)出多級微結(jié)構(gòu)， 并具有一定的取向，這與真實的蛇皮背部相一致. 蛇皮腹部復(fù)形的PDMS呈現(xiàn)與蛇皮腹部一致的縱向結(jié)構(gòu). 結(jié)果表明， 成功制備了分別具有蛇皮腹部和背部結(jié)構(gòu)的仿生PDMS材料， 同時證明了利用PDMS進行復(fù)形并獲得具有表面微結(jié)構(gòu)的方法是可行的.

2.5 蛇皮表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)的增阻減阻材料的性能測試

為了驗證蛇皮結(jié)構(gòu)對其運動的影響， 對具有蛇皮腹部和背部結(jié)構(gòu)的PDMS進行了各項性能測試.首先， 對復(fù)形的PDMS進行了接觸角測試. 結(jié)果如本文支持信息圖S5所示， 具有蛇皮腹部結(jié)構(gòu)的PDMS表面的接觸角為90.9°， 而具有蛇皮背部結(jié)構(gòu)的PDMS表面接觸角約為108°， 這與真實蛇皮浸潤性是一致的. 這是由于蛇皮背部的多級微結(jié)構(gòu)能夠固定水滴， 使其無法有效進行鋪展， 極大地阻止了水滴對表面的浸潤， 使得背部復(fù)形表面具有更大的接觸角. 接著， 對復(fù)形的PDMS進行了水黏附力測試. 如圖4（A）和（B）所示， 具有蛇皮背部結(jié)構(gòu)的PDMS表面的黏附力為12.0 μN， 而具有蛇皮背部結(jié)構(gòu)的PDMS表面的黏附力為13.0 μN. 因此， 改變材料表面結(jié)構(gòu)能夠有效改變材料的浸潤性以及黏附力.

Fig.4 Adhesive properties of biomimetic notum(A) and belly(B), schematic of friction measurement(C),friction measurement of biomimetic notum(D) and belly(E)

此外， 對復(fù)形的PDMS進行了摩擦磨損實驗［圖4（C）］以研究其摩擦性能. 通過施加相同的壓力，傳感器和PDMS 表面以規(guī)定的速度相互摩擦， 即可利用軟件換算出傳感器與PDMS 表面間的摩擦力.測試結(jié)果表明， 利用蛇皮腹部進行復(fù)形的PDMS具有比光滑PDMS更大的平均摩擦力［圖4（D）］. 利用蛇皮背部進行復(fù)形的PDMS的摩擦力比光滑的PDMS摩擦力更小［圖4（E）］. 這種結(jié)果是因為濕潤狀態(tài)背部的水分子被保留在微結(jié)構(gòu)中， 提供了潤滑作用， 而腹部水分子容易被排干， 無法提供有效的潤滑，增加了摩擦［13］. 經(jīng)過摩擦磨損測試后， 仿生材料表面微結(jié)構(gòu)沒有被明顯破壞， 表明該材料結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性（見本文支持信息圖S6）.

2.6 模擬計算驗證表面微結(jié)構(gòu)的作用

采用圖1中的模型構(gòu)筑進行模擬計算［圖5（A）］. 流場用Navier-Stokes方程組描述［30］：

式中：ρ為工作介質(zhì)密度；u（m/s）是速度；p（Pa）是壓強；μ（Pa·s）是動力黏度系數(shù)；I是單位矩陣；F（N/m3）是體積力. 仿生蛇皮的計算域和邊界條件見本文支持信息圖S7. 入口和出口均采用靜壓， 展向方向兩個壁面使用的是對稱邊界條件， 方程如下：

式中：n表示的是單位法向量；K為壁面黏性力. 上下壁面為無滑移邊界條件， 其遵循方程：

蛇皮壁面平均速度為u=0.01 m/s， 計算域的長度L和寬度W均為10 μm， 高度H為5 μm， 工作介質(zhì)為水， 其動力黏度為1.01×10-3Pa·s， 網(wǎng)格劃分的最小尺寸為0.0268 μm， 最大尺寸為0.248 μm. 最大的單元增長率為1.1， 曲率因子為0.4.

從截面的壓力圖［圖5（B）］可以看出， 光滑蛇皮壁面和豎直蛇皮壁面的壓力幾乎沒有梯度變化， 整個計算域中的壓力基本穩(wěn)定， 腹部蛇皮壁面出現(xiàn)了明顯的壓力梯度， 其中壁面凸起處的壓力最大， 因此增大壁面運動時的阻力. 背部蛇皮壁面處流體會產(chǎn)生一個展向渦， 在凹槽處形成的展向渦能夠抑制流動中流體的展向運動， 減小運動中的流體阻力， 最終導(dǎo)致背部蛇皮壁面所需的牽引力最小， 腹部蛇皮壁面所需的牽引力最大. 如圖5（C）所示， 箭頭表示所選壁面的運動方向， 從速度場中可以看出越靠近壁面的流體速度越大， 并且流體速度隨著離壁的距離增大而逐漸減小， 背部蛇皮壁面的高速流體區(qū)域明顯大于光滑蛇皮壁面和橫向蛇皮壁面， 這些結(jié)果與測得的實際結(jié)論一致.

3 結(jié) 論

受蛇皮表面結(jié)構(gòu)差異啟發(fā)， 模仿蛇皮腹部的長程有序的微納陣列結(jié)構(gòu)及背部的多級微結(jié)構(gòu)， 利用PDMS材料復(fù)形設(shè)計制備了增阻減阻仿生材料. 白光干涉測試和掃描電子顯微鏡測試觀察到了背部蛇皮和腹部蛇皮的微結(jié)構(gòu)差異， 而浸潤性和黏附力測試也印證了不同部位結(jié)構(gòu)對性能的影響. 對復(fù)形材料進行了摩擦磨損測試， 結(jié)果表明， 兩種復(fù)形材料與未功能化的PDMS相比， 分別實現(xiàn)了摩擦力的增加和降低. 根據(jù)蛇皮結(jié)構(gòu)構(gòu)建了簡化的結(jié)構(gòu)模型， 通過有限元仿真模擬， 證明了表面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)了阻力提升或阻力降低的功能. 研究結(jié)果將為減阻材料和增阻材料的設(shè)計提供靈感， 并為減阻材料應(yīng)用于交通工具表面蒙皮（如飛機和高鐵等）， 降低運輸能源消耗以及增阻材料應(yīng)用于路面設(shè)計、 輪胎制造以及摩擦發(fā)電等領(lǐng)域提供研究基礎(chǔ).

支持信息見http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20230116.