壁虎與膠帶：強大吸附力在于壁虎腳掌絨毛，日東電工使用碳納米管仿造
2012年2月日東電工宣布，從壁虎腳掌獲得啟發(fā)的“壁虎膠帶”已開始用于商業(yè)用途?？稍趬Ρ诩疤旎ò宓茸杂膳佬械谋诨⒌哪_掌，不僅具備可用一根腳趾支撐自身體重的強大吸附力，還可在爬行時輕松離開物體表面。而且不會留下粘液等痕跡。如果能夠人工制造具備這種黏附特性的膠帶產(chǎn)品，使用起來會很方便。懷著這種期待，世界各地的大學、研究機構及企業(yè)等紛紛著手開發(fā)壁虎膠帶，而日東電工領先于其他國家的企業(yè)率先實現(xiàn)了這種膠帶的產(chǎn)品化。
日東電工開發(fā)的壁虎膠帶以100億根/cm2的密度密集地排列了直徑數(shù)n～數(shù)十nm的碳納米管（CNT）。剪切方向的粘合力出色，面積僅1cm2左右的膠帶可保持500g的粘合力（圖1）。揭下時可輕松剝離，還能反復使用。不會像傳統(tǒng)膠帶一樣留下粘合劑。而且，可在-150～500℃的大溫度范圍內(nèi)使用。利用這一特性，該公司的關聯(lián)公司已開始將其用作分析試料的固定膠帶。據(jù)日東電工介紹，目標是2015年開始對外銷售*1。
其實，“最近100年來，人們對壁虎具有強大吸附力的原理一直眾說紛紜，是一個長期未解之謎”（日東電工研究開發(fā)本部新計劃探索部主任研究員前野洋平）。直到2000年前后謎底才被揭開。在電子顯微鏡下觀察壁虎的腳尖，發(fā)現(xiàn)腳掌上以10萬～100萬根/cm2的密度生長著極細的絨毛，而每根絨毛頂端又生有100～1000根左右的分支。頂端分出的細毛密度達到了10億根/cm2以上。因為每根細毛都可以緊貼在對象物上，因此二者之間可產(chǎn)生范德華力*2，從而能夠粘在一起。范德華力：原子及分子之間等的相互吸引力。與距離的6次方成反比。
一般的膠帶也是利用范德華力粘合的，與壁虎膠帶的原理相同。但范德華力必須在分子之間靠得極近時才能發(fā)揮作用，普通物體之間因表面粗糙造成的妨礙而無法緊貼在一起。
因此，普通膠帶需要在粘合對象物與膠帶之間填充彈性模量較低的粘合劑。也就是說，通過浸潤的方法，使范德華力發(fā)揮作用。但使用這種粘合劑的膠帶存在很難剝離、剝離時會留下粘合劑以及高溫下特性降低等問題。壁虎膠帶作為可解決這些問題的產(chǎn)品而備受期待。
壁虎腳底的絨毛由名為β角質(zhì)的物質(zhì)構成，其楊氏模量為109Pa，比普通膠帶（104～105 Pa）還要高。但其微細構造會使表面彈性模量降低，因此可嵌入物質(zhì)表面的凹凸部分發(fā)揮粘合力。
“發(fā)現(xiàn)壁虎腳底的構造非常關鍵”（前野）。壁虎膠帶就是模仿這種微細構造開發(fā)的。也就是說，并未采用以原來的粘合劑彈性模量來控制粘合力的方法，而是采用了通過改進構造來控制粘合力的新方法。
具有重要意義的分支構造
將膠帶作為主營業(yè)務的日東電工開發(fā)壁虎膠帶，可以說是一個非常自然的過程。該公司將前野派往當時走在研究最前沿的美國加州大學伯克利分校。前野在那里學習了粘合理論。
其實，前野最初曾在該校以聚酰亞胺纖維仿造了壁虎絨毛頂端部細毛密集的構造。但研究的進展并不順利。纖維之間因存在范德華力而凝聚，無法實現(xiàn)粘合功能。壁虎腳尖的絨毛之所以光是頂端部生有細小的分支，就是為了防止凝聚。
那么形成膠帶時如何解決這個問題？防止絨毛凝聚的方法大致有兩種。一種是仿造與壁虎一樣的層次分支構造。另一種是使用高剛性材料代替分支構造來防止凝聚。
日東電工采用了構造簡單的后者，與大阪大學研究生院工學研究系機械工學專業(yè)教授中山喜萬等人合作，開發(fā)出了CNT像壁虎絨毛一樣排列的膠帶（圖3）。CNT的直徑極小，可實現(xiàn)較高的深寬比及高剛性，是一種非常適合第二種方法的材料。在經(jīng)過微細加工的基板上控制CNT的生成條件，便可使其朝著一個方向生長。該公司將其嵌入熔融狀態(tài)的聚丙烯（pp）基板，形成了膠帶狀。
壁虎膠帶的電子顯微鏡圖片
細毛狀物體是CNT。仿造了壁虎的腳掌
盡管詳情未予公開，但日東電工稱采用了長度為1mm左右的單壁或多層CNT。目前，還能制造沒有PP基板的雙面膠，有望用于固定載玻片等用途。
課題是量產(chǎn)與價格
但因這種膠帶使用CNT，所以存在價格高且很難大量供應的難點。目前只能作為分析試料的固定膠帶使用也是因為這個原因。日東電工認為，該產(chǎn)品可發(fā)揮能在高溫及真空等嚴酷環(huán)境下反復使用、不會弄臟粘合對象的特性*3。今后，將打算在提高量產(chǎn)技術并降低成本后，對外銷售。
*3 據(jù)日東電工介紹，粘合時也需要技術訣竅。目前只限于在集團企業(yè)內(nèi)使用估計也是因為考慮到了這個原因。
