壁虎粘附力性质

1、LOGO壁虎粘附力性质壁虎粘附力性质经典论文评述房文林 夏保红LOGOContents研究的问题研究的问题研究的方法研究的方法实验结果实验结果研究结论研究结论问题与思考问题与思考论文出处论文出处Wanxin Sun, Pavel Neuzil, Tanu Suryadi Kustandi, Sharon Oh, and Victor D. SamperInstitute of Bioengineering and Nanotechnology, Singapore研究的问题研究的问题 经过长时间的观察发现壁虎具有非凡的攀爬能力，为了研究壁虎绒毛与表面之间黏附力的性质和绒毛结构的影响，已进行了无

2、数次的尝试，但是由于壁虎刚毛结构复杂，很难确定有多少绒毛与传感器有瞬间物理接触。 论文主要介绍使用原子力显微镜测得力-矩离关系来测量单个绒毛在不同相对湿度的空气和水中的黏附力性质。研究的问题研究的问题Images of spiny-tailed house gecko and its seta. (Top) A close-up photograph of the gecko on a glass-coveredmirror used in this study. At the bottom are scanningelectron microscope images of gecko set

3、ae showing the treelikestructure with a magnification of 900 times (left) and 8500times (right).研究的问题研究的问题范德华力范德华力van der Waals force粘附力粘附力毛细管力毛细管力Capillary force研究的问题研究的问题毛细管中能使润湿其管壁的液体自然上升的作用力。此力指向液体凹面所朝向的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛管半径成反比。范德华力（又称分子作用力）产生于分子或原子之间的静电相互作用。研究的方法研究的方法为了确定范德华力的振幅，测量要在液体或完全干燥（

4、高真空）环境下进行，以便于消除毛细管力的影响。由于任何自然栖息地的相对湿度（RH）始终至少为10，毛细管力在壁虎的黏附中很可能起到一定的作用。为了研究壁虎黏附力的性质，我们在一定的可控流体环境下直接测量单个绒毛与一个无针尖AFM悬臂的力-距离关系。研究的方法研究的方法原子力显微镜（AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。测量原理由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而

5、在垂直于样品的表面方向起伏运动。AFM原子力显微镜原子力显微镜研究的方法研究的方法在我们的实验中，一只壁虎脚趾被环氧树脂黏附在无针尖悬臂的原子力显微镜磁性样品板上，壁虎刚毛朝上。因为绒毛的高度是不均匀的，我们首先可以预测一个绒毛将接触到悬臂。由于原子力显微镜的垂直灵敏度优于0.1纳米，两个刚毛同时接触的概率可忽略不计。实验结果实验结果在空气相对湿度为70，硅悬臂梁的弹簧常数为0.1牛/米时测得的力-距离图。直方图为测量的在亲水性（插图A）和疏水性（插图B）的硅悬臂（疏水表面）的力。黑色和红色的线分别代表伸展的曲线和缩回的曲线。实验结果实验结果力与表面疏水性的变化是在毛细管力作用的一大特点，修改

6、的悬臂疏水性是一种常规的方法来确定它的幅度。我们测量了壁虎与硅悬臂相互作用的力，当与表面水的接触角为30（亲水性）和110（疏水性）。图2中直方图所示的平均粘合力分别为11.8和4.9 nN，这表明壁虎力的主要组成部分是毛细管力，随着减小，范德华力的振幅不是随表面和绒毛之间的湿度增加而增加。实验结果实验结果l 我们还计算了在一个平面几何球体上范德华力和毛细管力的幅度，来研究他们与表面湿度的关系。一旦相对湿度的值大于16，毛细管力就占主导地位。在相对湿度变化范围为0.100.95内，半径为15nm的氮化硅球体与云母的黏附力模拟。 由于两个系统（壁虎绒毛-无针尖悬臂和氮化硅AFM悬臂-云母）表现出

7、相同的趋势，即在空气中的黏附力与相对湿度成正比，我们可以假设，在两个系统中的力的性质是相同的。实验结果实验结果 为了确保模拟计算的可行性，在不同湿度下进行力-距离测量。接触角接触角环境环境平均力平均力标准差标准差30Dry N24.40.83070% RH11.82.230Wet N26.21.211070% RH4.90.9N.A.Water1.80.5结果证实，降低相对湿度，力降低（70相对湿度/干燥氮气），增加相对湿度，力增加（干燥氮气/湿氮气）。实验结果与计算结果吻合。研究结论研究结论实验结果表明，壁虎绒毛与原子力显微镜悬臂梁之间的作用力与吸附在水面的力一样。只要有水存在，就存在毛细管

8、力。唯一例外的是当壁虎刚毛完全淹没在水中时，黏附力低于2nN。然而，即使在这种情况下其他力也可能比范德华力大，如双层力，水化力和疏水力。用一个简单的方式来说明毛细管力的重要性，一只活壁虎爬上一个“干”垂直表面。一旦喷了水，壁虎是无法吸附在表面。通过喷水的方法将壁虎从垂直表面移除是动物学家的常识。这表示随着毛细管力的消失，壁虎的黏附力严重减少。范德华力可能仍然发挥作用，但周围空气中的毛细管力占主导地位。研究结论研究结论结论结论我们测量了单个壁虎绒毛产生的黏附力。由于壁虎黏附力与表面疏水性和是否存在水有关，我们可以得出结论，粘合力的主要组成部分是毛细管力。这一发现是许多有趣的自然现象之一，可提高人

9、类的技术知识，例如人造壁虎仿生设备。问题与思考问题与思考真的是毛细管力吗？真的是毛细管力吗？Evidence for van der waals adhesion in gecko setae. Autumn K, Metin S, Liang Y A, et al. 黏附系统的黏附及脱离机制假设毛细作用力占主导，则出现A结果，亲水性表面吸附力强，疏水性表面吸附力很小；假设范德华力占主导，则出现B结果，即亲水与疏水表面吸附力大小基本一致；实验：在GaAs半导体表面高度疏水性（=110）高可极化性（=10.88）；在SiO2半导体表面，高亲水性（=0）可极化性（4.5）；用MEMS力传感器测单根刚毛的法向