壁虎與膠帶：強(qiáng)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。可在墻壁及天花板等自由爬行的壁虎的腳掌，不僅具備可用一根腳趾支撐自身體重的強(qiáng)大吸附力，還可在爬行時(shí)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(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)等紛紛著手開發(fā)壁虎膠帶，而日東電工領(lǐng)先于其他國家的企業(yè)率先實(shí)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(shí)可輕松剝離，還能反復(fù)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(guān)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(biāo)是2015年開始對外銷售*1。
其實(shí)，“最近100年來，人們對壁虎具有強(qiáng)大吸附力的原理一直眾說紛紜，是一個(gè)長期未解之謎”（日東電工研究開發(fā)本部新計(jì)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(xì)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(xì)毛密度達(dá)到了10億根/cm2以上。因?yàn)槊扛?xì)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(shí)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(shí)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(gòu)成，其楊氏模量為109Pa，比普通膠帶（104～105 Pa）還要高。但其微細(xì)構(gòu)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(gòu)造非常關(guān)鍵”（前野）。壁虎膠帶就是模仿這種微細(xì)構(gòu)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(jìn)構(gòu)造來控制粘合力的新方法。
具有重要意義的分支構(gòu)造
將膠帶作為主營業(yè)務(wù)的日東電工開發(fā)壁虎膠帶，可以說是一個(gè)非常自然的過程。該公司將前野派往當(dāng)時(shí)走在研究最前沿的美國加州大學(xué)伯克利分校。前野在那里學(xué)習(xí)了粘合理論。
其實(shí)，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(xì)毛密集的構(gòu)造。但研究的進(jìn)展并不順利。纖維之間因存在范德華力而凝聚，無法實(shí)現(xiàn)粘合功能。壁虎腳尖的絨毛之所以光是頂端部生有細(xì)小的分支，就是為了防止凝聚。
那么形成膠帶時(shí)如何解決這個(gè)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(gòu)造。另一種是使用高剛性材料代替分支構(gòu)造來防止凝聚。
日東電工采用了構(gòu)造簡單的后者，與大阪大學(xué)研究生院工學(xué)研究系機(jī)械工學(xué)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(shí)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(xì)加工的基板上控制CNT的生成條件，便可使其朝著一個(gè)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(xì)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(jià)格
但因這種膠帶使用CNT，所以存在價(jià)格高且很難大量供應(yīng)的難點(diǎn)。目前只能作為分析試料的固定膠帶使用也是因?yàn)檫@個(gè)原因。日東電工認(rèn)為，該產(chǎn)品可發(fā)揮能在高溫及真空等嚴(yán)酷環(huán)境下反復(fù)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(shù)并降低成本后，對外銷售。
*3 據(jù)日東電工介紹，粘合時(shí)也需要技術(shù)訣竅。目前只限于在集團(tuán)企業(yè)內(nèi)使用估計(jì)也是因?yàn)榭紤]到了這個(gè)原因。
