Волосистые поверхности за счет холодного волочения, что приводит к образованию густых газонов из волос с большим удлинением.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9952 (2022) Цитировать эту статью

711 Доступов

Подробности о метриках

Поверхность многих организмов покрыта волосками, необходимыми для их выживания в сложной среде. Создание искусственных ворсистых поверхностей из полимерных материалов оказалось сложной задачей, поскольку требует создания структур с очень высоким соотношением сторон (AR). Мы сообщаем о технологии изготовления поверхностей, покрытых плотными слоями наноразмерных полимерных волосков с очень высоким AR. Для этого шаблоны, имеющие поры диаметром несколько сотен нанометров, заполняются расплавом полимера под действием капиллярных сил. Затем полимеру дают остыть и шаблон механически удаляют. В зависимости от используемых условий образующиеся структуры могут представлять собой простую копию поры, либо полимер очень сильно деформируется при холодной вытяжке с получением длинных волос с плотностью волос значительно до 6,6 × 108 волос/см2 при AR. намного выше 200. Механизм образования волос объясняется тонким балансом между силами адгезии полимера в поре и силой текучести, действующей на него во время механического извлечения из формы. Мы демонстрируем, как с минимальными усилиями и в течение нескольких секунд можно получить уникальные топографии, которые могут существенно изменить смачивающие свойства обычных полимеров.

Поверхность многих животных (а в некоторых случаях и растений) хотя бы частично покрыта густыми слоями волосков1,2. Волосы могут служить многим целям: они могут защищать от воздействия УФ- или инфракрасного излучения3 или защищать от прямого контакта тела с водой во время дождя4,5 или во время плавания6,7. Волосы также могут выполнять функцию терморегуляции, стабилизируя температуру тела2. Для этого они действуют как изолирующий слой6, который снижает поглощение или потери тепла, поскольку удерживает значительное количество воздуха. Альтернативно, впитывая и распределяя пот по большей площади поверхности, волосы могут увеличить скорость испарения воды и, таким образом, охладить тело, которое они покрывают. В некоторых случаях они также играют роль в социальных взаимодействиях, способствуя распространению запахов, например феромонов1.

Биологические волосы, по сути, представляют собой материалы на основе кератина1 с высоким соотношением сторон, прочно прикрепленные к поверхности кожи, которую они покрывают. Они образуют густой «лужайку», в которой расстояние между волосами значительно меньше длины отдельного волоса8. Соотношение сторон AR > 100 характерно для натуральных волосистых поверхностей растений, таких как, например, листья манжетки9,10. Для человеческих волос соотношение сторон может достигать даже более 1000.

В технологической области структуры с высоким AR могут быть записаны в довольно жесткие материалы, в основном кремний, с помощью фото-, рентгеновской или электронно-лучевой литографии с последующими высокоспецифичными процессами травления8,11,12. Примером системы, в которой для интересного приложения были созданы очень высокие структуры AR, является работа Чанга и Сакдинавата13. Они используют электронно-лучевую литографию и метод химического травления с использованием металла для изготовления наноструктур со сверхвысокой AR (> 120) и высоким разрешением, которые можно использовать для создания визуализирующей оптики для жестких рентгеновских лучей. Однако, в отличие от большого количества публикаций о микро- и наноструктурированных кремниевых поверхностях с высоким AR, о полимерных материалах сообщается гораздо меньше14,15. Ключевыми методами создания полимерных микро- и наноструктур являются фотолитография и микрорепликация, последний подход особенно предпочтителен, когда желательно изготовление структурированных областей в больших масштабах12,16.

Полимерные нано- или микроволосы можно создавать с помощью методов формования реплик, в которых используются пористые шаблоны10,17,18. Фактически, в нескольких примерах использовались естественные образцы поверхности, такие как волосатые листья10,19 или настоящие насекомые17, для получения негативных форм, что, в свою очередь, приводило к идентичным морфологиям полимерных копий. Однако воспроизведение натуральных ворсистых поверхностей с очень высоким AR (> 100) остается сложной задачей, поскольку особенно сложно извлекать структуры с таким высоким AR из шаблона. Недавно, используя натуральный зубной шаблон крупного рогатого скота, Тиллер и его коллеги успешно создали сверхдлинные нити из акрилатной смолы, обладающие AR до 2009 года. Полимеризация с помощью шаблона привела к получению поверхностей, имитирующих топографию листьев кизильника Corokia. Однако, поскольку естественные шаблоны, как правило, довольно малы по размеру и при таких подходах они растворяются или вытравливаются, размер образца, полученного с помощью таких путей, по своей природе ограничен, и крупномасштабные субстраты не могут быть модифицированы.