壁虎与胶带:强大吸附力在于壁虎脚掌绒毛,日东电工使用碳纳米管仿造
2012年2月日东电工宣布,从壁虎脚掌获得启发的“壁虎胶带”已开始用于商业用途。可在墙壁及天花板等自由爬行的壁虎的脚掌,不仅具备可用一根脚趾支撑自身体重的强大吸附力,还可在爬行时轻松离开物体表面。而且不会留下粘液等痕迹。如果能够人工制造具备这种黏附特性的胶带产品,使用起来会很方便。怀着这种期待,世界各地的大学、研究机构及企业等纷纷着手开发壁虎胶带,而日东电工领先于其他国家的企业率先实现了这种胶带的产品化。
日东电工开发的壁虎胶带以100亿根/cm2的密度密集地排列了直径数n~数十nm的碳纳米管(CNT)。剪切方向的粘合力出色,面积仅1cm2左右的胶带可保持500g的粘合力(图1)。揭下时可轻松剥离,还能反复使用。不会像传统胶带一样留下粘合剂。而且,可在-150~500℃的大温度范围内使用。利用这一特性,该公司的关联公司已开始将其用作分析试料的固定胶带。据日东电工介绍,目标是2015年开始对外销售*1。
其实,“最近100年来,人们对壁虎具有强大吸附力的原理一直众说纷纭,是一个长期未解之谜”(日东电工研究开发本部新计划探索部主任研究员前野洋平)。直到2000年前后谜底才被揭开。在电子显微镜下观察壁虎的脚尖,发现脚掌上以10万~100万根/cm2的密度生长着极细的绒毛,而每根绒毛顶端又生有100~1000根左右的分支。顶端分出的细毛密度达到了10亿根/cm2以上。因为每根细毛都可以紧贴在对象物上,因此二者之间可产生范德华力*2,从而能够粘在一起。范德华力:原子及分子之间等的相互吸引力。与距离的6次方成反比。
一般的胶带也是利用范德华力粘合的,与壁虎胶带的原理相同。但范德华力必须在分子之间靠得极近时才能发挥作用,普通物体之间因表面粗糙造成的妨碍而无法紧贴在一起。
因此,普通胶带需要在粘合对象物与胶带之间填充弹性模量较低的粘合剂。也就是说,通过浸润的方法,使范德华力发挥作用。但使用这种粘合剂的胶带存在很难剥离、剥离时会留下粘合剂以及高温下特性降低等问题。壁虎胶带作为可解决这些问题的产品而备受期待。
壁虎脚底的绒毛由名为β角质的物质构成,其杨氏模量为109Pa,比普通胶带(104~105 Pa)还要高。但其微细构造会使表面弹性模量降低,因此可嵌入物质表面的凹凸部分发挥粘合力。
“发现壁虎脚底的构造非常关键”(前野)。壁虎胶带就是模仿这种微细构造开发的。也就是说,并未采用以原来的粘合剂弹性模量来控制粘合力的方法,而是采用了通过改进构造来控制粘合力的新方法。
具有重要意义的分支构造
将胶带作为主营业务的日东电工开发壁虎胶带,可以说是一个非常自然的过程。该公司将前野派往当时走在研究最前沿的美国加州大学伯克利分校。前野在那里学习了粘合理论。
其实,前野最初曾在该校以聚酰亚胺纤维仿造了壁虎绒毛顶端部细毛密集的构造。但研究的进展并不顺利。纤维之间因存在范德华力而凝聚,无法实现粘合功能。壁虎脚尖的绒毛之所以光是顶端部生有细小的分支,就是为了防止凝聚。
那么形成胶带时如何解决这个问题?防止绒毛凝聚的方法大致有两种。一种是仿造与壁虎一样的层次分支构造。另一种是使用高刚性材料代替分支构造来防止凝聚。
日东电工采用了构造简单的后者,与大阪大学研究生院工学研究系机械工学专业教授中山喜万等人合作,开发出了CNT像壁虎绒毛一样排列的胶带(图3)。CNT的直径极小,可实现较高的深宽比及高刚性,是一种非常适合第二种方法的材料。在经过微细加工的基板上控制CNT的生成条件,便可使其朝着一个方向生长。该公司将其嵌入熔融状态的聚丙烯(pp)基板,形成了胶带状。
壁虎胶带的电子显微镜图片
细毛状物体是CNT。仿造了壁虎的脚掌
尽管详情未予公开,但日东电工称采用了长度为1mm左右的单壁或多层CNT。目前,还能制造没有PP基板的双面胶,有望用于固定载玻片等用途。
课题是量产与价格
但因这种胶带使用CNT,所以存在价格高且很难大量供应的难点。目前只能作为分析试料的固定胶带使用也是因为这个原因。日东电工认为,该产品可发挥能在高温及真空等严酷环境下反复使用、不会弄脏粘合对象的特性*3。今后,将打算在提高量产技术并降低成本后,对外销售。
*3 据日东电工介绍,粘合时也需要技术诀窍。目前只限于在集团企业内使用估计也是因为考虑到了这个原因。