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指尖出汗是人类历经进化之后所保留下来的一项重要的生理功能。由于手脚汗液和指纹脊的协同作用， 人们可以牢固地抓握工具或进行行走、攀爬等复杂的活动。受限于材料和结构的单一性，目前已有的智能材料尚且无法有效地模仿人类指尖的这种特征。对此，受自然界灵感的启发， 近期埃因霍温理工大学的刘丹青教授和Dirk J. Broer教授的研究团队报道了一种会“出汗”的光响应性指纹状液晶聚合物网络（LCNs）涂层。其中，由于材料引入了胆甾相液晶和来自于涂层基板适当的垂直锚定力，涂层表面上形成了随机的特异性指纹形貌。而加入小分子液晶和带有偶氮苯结构的单体则有助于实现了聚合物涂层的光响应性及可控的液体释放的功能。该工作以“Reversible Perspiring Artificial ‘Fingertips’”为题发表在《Advanced Materials》上。文章第一作者为埃因霍温理工大学博士生张东钰。![]()
图1. 可分泌液体的光响应性指纹状液晶聚合物网络涂层示意图这种由液晶聚合物网络所构成的指纹状人造仿生涂层能在弱紫外光照射下发生各向异性形变。从微观角度上来看，紫外光照下偶氮苯的顺反异构化会使得液晶聚合物网络中的分子在沿着分子长轴方向收缩，并挤压聚合物网络内部的液体。此外，通过调节聚合物中偶氮苯的比例，液体会在聚合物形成过程中发生不同程度的横向扩散，从而可以控制实现液体在紫外照射下从指纹脊被释放。更有趣地是，当采用可见蓝光照射涂层，由于偶氮苯的回复作用，液体则可被重新吸收聚合物网络中。![]()
图2. 指纹状人造仿生涂层的指纹脊在光的控制下分泌或吸收液体。a) 指纹脊在紫外线照射下分泌液体示意图。b) 由紫外线照射引发的液体分泌的诱导期长度随光强度变化。c) 紫外线照射前后涂层的二维轮廓变化。d) 在诱导期，垂直取向区域的收缩和平行取向区域的扩张随偶氮苯浓度的变化。e) 数字全息显微镜 (DHM) 测量显示该人造仿生涂层排汗和吸汗过程。f) 液体分泌后涂层的偏光显微镜图像。图像分析显示 g) 分泌液体的体积和 h) 涂层指纹脊/谷中液滴随时间推移的变化。
基于该人造仿生涂层的光响应性液体释放和吸收的特性，该涂层表面的摩擦学特性可以进一步被光控制。例如，当涂层接触另一块载玻片表面，指纹脊释放的液体会在涂层和面对的玻璃之间形成毛细管桥，并塑化接触面上的液晶聚合物，从而改变涂层和接触的玻璃物体之间的切向摩擦力。因此，当该指纹状人造仿生涂层“出汗”时，它可以带着其基板附着在倾斜的载玻片表面，而当液体被吸收回聚合物网络之后，该涂层以及其基板则从倾斜的载玻片上滑落。![]()
图3. 指纹状人造仿生涂层的摩擦学特性。 a) 涂层表面指纹形貌和玻璃平面之间毛细管桥接的示意图。b) 365 nm或455 nm光刺激下涂层在水平玻璃板上滑动摩擦力变化。指纹状人造仿生涂层附着在 60⁰ 载玻片上的试验，以模拟人手的摩擦：c) 表面干燥的涂层及其基板从载玻片上滑落以及相应的假设场景。 d) 在紫外线照射下，出汗的涂层附着在载玻片上； e) 停止紫外线照射后，涂层仍附着在载玻片上；f) 蓝光照射触发液体被吸收，涂层及其基板从载玻片上滑落。
对此，未来的工作有望继续拓展这种新型涂层用于各种不同的柔性基板材料，从而得到更灵巧的、可受控出汗的人造指纹皮肤用于智能软机器人设备，最终实现更逼真的的仿生功能，例如用于精小物体的抓取或释放等需求。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202209729
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