昆虫脚上微米级的刚毛结构通过形成纳米液桥来实现湿粘附，从而使它们能在各种表面上轻松行走。与经典毛细模型不同的是，昆虫刚毛末端的液桥与黏液腺相连，与接触表面形成动态黏附。虽然科学家们对纳米级毛细现象的物理机制充满兴趣，但其具体机制仍不明确。

图1 (a) 瓢虫照片；(b)瓢虫刚毛扫描电镜图；(c)仿昆虫刚毛的多孔纳米柱阵列；(d)原子力显微镜尖探针用于模拟粗糙表面，与样品形成点接触；(e)原子力显微镜球探针用于模拟平面，与样品形成面接触。

  近期，武汉大学薛龙建教授团队建立了一个模仿昆虫刚毛的人工动态湿黏附系统（图1），揭示了纳米级毛细粘附的动态过程以及刚毛结构赋予湿黏附的多重优势。该系统利用多孔纳米柱阵列（PNAs）来模拟昆虫刚毛；利用不同尺寸的原子力探针模拟不同粗糙度的接触面；将矿物油动态传输到PNAs尖端与接触表面形成纳米液桥，模拟昆虫的黏液分泌过程。通过黏附力的实时监测，可以清晰地监测湿黏附的发展过程。

图2 (a) PNAs和(b)平膜的湿黏附演变过程。(c)PNAs与平膜在不同探针下的稳定湿黏附形成时间。(d)平膜和(e)PNAs上矿物油在探针表面的接触角变化示意图。

图3 具有不同表面能的PNAs和平膜在(a)球探针和(b)尖探针下的黏附力。

图4 PNAs和平膜在(a)尖探针和(b)球探针上的液体损失量。

  该工作不仅在纳米尺度揭示了纳米液桥的力学机制，更是首次揭示了刚毛结构对动态湿黏附的多重贡献，加深了对自然进化结构多功能性的理解，还可以为纳米印刷、纳米机器人和纳米器件自组装提供指导。此外，该工作建立的动态湿黏附系统，可以作为模型体系研究动态毛细现象。该工作以“Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion”为题发表在《ACS Nano》上。该研究得到国家自然科学基金委和国家重点研发计划的支持。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c14048

  下载：Nanosized Contact Enables Faster, Stronger, and Liquid-Saving Capillary Adhesion