碳纳米管阵列仿生黏附受静电作用影响的研究进展
发布时间：2021-06-14 11:59
生物进化赋予了壁虎在各种表面上出色的黏附运动能力。受壁虎脚掌的微/纳黏附结构启发研制的仿生黏附材料,其黏附强度已优于壁虎。但壁虎脚掌的其他综合性能,如自清洁性、黏附可控性、可重复性等,仿生黏附材料还不具备,或者差距很大。本文对壁虎脚掌的黏附机制进行了深入分析,为提升仿生黏附材料性能指出方向。近期研究表明,壁虎黏附过程存在接触/摩擦电现象。通过对接触/摩擦电和黏附力的同步测定,发现壁虎黏附性能得益于范德华力并受静电力作用的影响。这一新的作用机制有助于理解仿生黏附材料性能局限的机理,指导其黏附性能的改进。在对不同材料接触电效应的研究中,静电作用对材料间相互作用力的影响也越来越多地被发现并量化分析,这些研究成果为仿生黏附材料黏附过程中静电作用的量化分析奠定了理论基础。碳纳米管仿生黏附材料具有优异的力学、电学性质,其接触电效应已得到验证并进行多样化的应用研究,这些研究成果为分析静电作用对碳纳米管仿生黏附材料的影响规律提供实验参考。此外,基于接触电能量转换特性的纳米摩擦发电机（TENG）已成功应用于能量收集,TENG的快速发展为研究接触电的原理和特性提供了实验平台。本文首先对壁虎黏附机制的近期研...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
壁虎脚掌的分级结构:
虽然范德华力机制解释了对于壁虎单根刚毛的黏附力的测量结果,但对实际情况而言,由于接触面的粗糙度不同,壁虎脚掌与接触面的实际接触面积不一致。仿真结果显示,需要200 nm2的匙突与接触面的间隔小于1 nm才能产生足够支撑壁虎质量所需的范德华力[17],这对粗糙表面而言是不可能的。因此仅仅依靠范德华力机制对黏附进行解释是不全面的。在Prevenslik的研究[17]中,首次借助壁虎脚掌与接触面之间产生的纳米粒子带来的静电作用对壁虎黏附进行解释。在Izadi等的研究[18]中,利用壁虎脚掌与不同材料接触中测量的电荷量以及黏附力,证明接触电对壁虎黏附的有效贡献(图2)。对于之前否定静电相互作用对壁虎黏附有贡献的实验[19],应当注意到实验中使用的空气电离只能用于消除非紧密接触的静电相互作用,而不是来自紧密接触的静电相互作用,例如壁虎脚掌接触电驱动的静电相互作用。Izadi等[20]认为,接触电驱动的静电相互作用决定壁虎黏附的强度,而不是传统上认为的由范德华力或毛细力决定。为进一步在实验中验证壁虎黏附中的接触电现象,Dai等[21]借助由三维力传感器和基于电容器的电荷探测仪组成的组合传感器单元,同步测量壁虎脚掌的黏附力和大小约几个纳库的接触电荷,结果表明接触电荷与黏附力和接触面积相关联,并且对所采集到的电荷量对应产生的静电作用力进行量化,预期可获得25～100 N/m2的静电力。因此,可以推断静电相互作用对壁虎脚掌的黏附具有一定贡献。
关于材料的相对极性,Wilcke早在1757年就首次给出接触电序列[29],其中包含十几种常见的材料。后来经过许多研究人员的实验,逐渐将更多自然的或者合成的材料按照极性的相对位置纳入接触电序列中,给出的序列如图3所示。摩擦接触的两种材料的相对位置决定所带电荷的极性以及转移电荷的数量,通常转移电荷的数量与材料在序列位置的间隔呈正相关。通常具有强摩擦带电效应的材料往往导电率较低,甚至是绝缘体,因此通常会捕获转移电荷并将其保留较长时间。接触电序列的补充主要是基于不断地对不同材料进行接触电实验,而为揭示接触电的机理,在对应的接触电理论指导下设计了许多实验,这主要聚焦于对接触电过程的观察与表征。为达到这一目的,使用许多方法,例如利用滚动球体工具从电介质盘顶部的滚动球体收集转移电荷[24,30],以及使用原子力显微镜(AFM)测量微图案化材料接触面的表面静电力或电势分布[31-33]。这些实验未能精确地控制接触起电过程并且不能直接反映摩擦界面的电荷情况。而为进一步定量理解接触起电的过程,Wang等[34]通过结合接触式原子力显微镜(AFM)和扫描开尔文探针显微镜(SKPM)实现对纳米尺度上的接触电荷的原位定量表征。系统地研究SiO2薄膜与AFM探针之间的摩擦电情况,通过探针涂层(Pt涂层)改变二者之间的相对极性,与接触电序列相吻合。通过多次摩擦验证在SiO2薄膜表面电荷的累积,对电荷量的实时监测表明电荷可以在绝缘体表面保留较长时间,这一量化实验为接触起电和去电过程提供实验依据,同时提供一种对材料接触电特性进行定量表征的方法。
本文编号：3229784
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
壁虎脚掌的分级结构:
虽然范德华力机制解释了对于壁虎单根刚毛的黏附力的测量结果,但对实际情况而言,由于接触面的粗糙度不同,壁虎脚掌与接触面的实际接触面积不一致。仿真结果显示,需要200 nm2的匙突与接触面的间隔小于1 nm才能产生足够支撑壁虎质量所需的范德华力[17],这对粗糙表面而言是不可能的。因此仅仅依靠范德华力机制对黏附进行解释是不全面的。在Prevenslik的研究[17]中,首次借助壁虎脚掌与接触面之间产生的纳米粒子带来的静电作用对壁虎黏附进行解释。在Izadi等的研究[18]中,利用壁虎脚掌与不同材料接触中测量的电荷量以及黏附力,证明接触电对壁虎黏附的有效贡献(图2)。对于之前否定静电相互作用对壁虎黏附有贡献的实验[19],应当注意到实验中使用的空气电离只能用于消除非紧密接触的静电相互作用,而不是来自紧密接触的静电相互作用,例如壁虎脚掌接触电驱动的静电相互作用。Izadi等[20]认为,接触电驱动的静电相互作用决定壁虎黏附的强度,而不是传统上认为的由范德华力或毛细力决定。为进一步在实验中验证壁虎黏附中的接触电现象,Dai等[21]借助由三维力传感器和基于电容器的电荷探测仪组成的组合传感器单元,同步测量壁虎脚掌的黏附力和大小约几个纳库的接触电荷,结果表明接触电荷与黏附力和接触面积相关联,并且对所采集到的电荷量对应产生的静电作用力进行量化,预期可获得25～100 N/m2的静电力。因此,可以推断静电相互作用对壁虎脚掌的黏附具有一定贡献。
关于材料的相对极性,Wilcke早在1757年就首次给出接触电序列[29],其中包含十几种常见的材料。后来经过许多研究人员的实验,逐渐将更多自然的或者合成的材料按照极性的相对位置纳入接触电序列中,给出的序列如图3所示。摩擦接触的两种材料的相对位置决定所带电荷的极性以及转移电荷的数量,通常转移电荷的数量与材料在序列位置的间隔呈正相关。通常具有强摩擦带电效应的材料往往导电率较低,甚至是绝缘体,因此通常会捕获转移电荷并将其保留较长时间。接触电序列的补充主要是基于不断地对不同材料进行接触电实验,而为揭示接触电的机理,在对应的接触电理论指导下设计了许多实验,这主要聚焦于对接触电过程的观察与表征。为达到这一目的,使用许多方法,例如利用滚动球体工具从电介质盘顶部的滚动球体收集转移电荷[24,30],以及使用原子力显微镜(AFM)测量微图案化材料接触面的表面静电力或电势分布[31-33]。这些实验未能精确地控制接触起电过程并且不能直接反映摩擦界面的电荷情况。而为进一步定量理解接触起电的过程,Wang等[34]通过结合接触式原子力显微镜(AFM)和扫描开尔文探针显微镜(SKPM)实现对纳米尺度上的接触电荷的原位定量表征。系统地研究SiO2薄膜与AFM探针之间的摩擦电情况,通过探针涂层(Pt涂层)改变二者之间的相对极性,与接触电序列相吻合。通过多次摩擦验证在SiO2薄膜表面电荷的累积,对电荷量的实时监测表明电荷可以在绝缘体表面保留较长时间,这一量化实验为接触起电和去电过程提供实验依据,同时提供一种对材料接触电特性进行定量表征的方法。
本文编号：3229784
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