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薄膜材料黏附強度和溫度的線性關系研究獲進展

2019-12-31

    以二維材料、細胞膜為代表的薄膜材料在生物醫藥、先進材料以及工程領域有著廣泛的應用。薄膜材料的黏附行為將影響它們的性能。日前,中國科學院力學研究所、華中科技大學團隊在相關研究中取得新進展。他們發現薄膜材料的黏附行為受到細胞膜表面形貌的影響,因此具有非常高的溫度敏感性。相關結果以The linear-dependence of adhesion strength and adhesion range on temperature in soft membranes 為題發表于《固體力學與物理雜志》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids 132(2019)103697)。

  該團隊通過分子尺度模擬和理論分析,發現軟物質薄膜與基體材料的黏附行為與溫度相關,這與傳統的力學理論有所差異。薄膜材料在垂直表面方向缺少束縛,因此表面存在褶皺。研究人員首先以二維材料石墨烯為研究對象,發現當薄膜與基底相互作用時,其表面波動的幅值與溫度成正比,與基底作用強度的1/2次方成反比。這一表面形貌的變化,即為導致粘附行為改變的原因。進一步的分析發現,薄膜與基底材料相互作用強度與溫度成線性關系。當溫度升高時,表面波動更為劇烈,薄膜與基底材料的粘附強度減弱,但相互作用范圍相應增大,如圖所示。

  由于細胞膜的彎曲剛度與石墨烯近似并且對于細胞生命活動有重要意義,因此研究人員以細胞膜為研究對象,對該結論進行了進一步的驗證,發現細胞膜的黏附行為依然受膜表面形貌的影響,表面的波動擴大了范德華力的作用范圍。這樣的結論對于理解細胞與外界環境相互作用的溫度敏感性有重要作用。

  力學所博士常正華為論文第一作者,研究員魏宇杰為通訊作者,通訊作者還包括華中科技大學教授楊榮貴。該項目得到國家自然科學基金(Grants NO. 11425211)、中科院戰略性先導科技專項(XDB22020200)以及中科院“復雜系統力學”卓越創新中心的支持,計算模擬得到中科院超級計算中心支持。

薄膜材料表面形貌與溫度、基底作用強度關系示意圖;薄膜的黏附行為與溫度的關系。

來源: 力學研究所

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