刷新认知!Science子刊:壁虎攀附能力又有了最新解释

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irect evidence of acid-base interactions in gecko adhesion. Singla et al., Sci. Adv. 2021; 7, eabd9410.

壁虎粘附中酸碱相互作用的直接证据 2021年5月19日


壁虎毫不费力地用粘性脚趾拆开垂直墙壁的能力在过去的二十年里,对对粘合系统的基本的生物学家来说,对粘合剂系统的基本的生物学家来说是相当大的关注,以对开发新的合成粘合剂的材料科学家。对于一个壁虎种类(Gekko Gecko),这些粘合性的脚趾垫的微观结构,包括数百万微小的毛状结构,称为刚毛Setae,其在尖端中分开成200-nm宽和5nm厚纳米结构被称为spatulae。这些微小的结构和基底之间有非常紧密的接触。这之间就存在范德瓦尔斯(van der Waals,VDW)力。虽然目前学术界普遍认为VDW力对壁虎的粘附作用起到主要的贡献,但有几项研究表明非VDW力的贡献也不可忽略,并强调了理解粘合接触界面的重要性。以前的工作假设壁虎足底的表面是疏水性的,具有在表面上暴露的非极性脂质尾部。然而,这一假设缺乏直接支持的实验证据和对粘附机制的深入研究。最近,美国University of Akron的研究人员在Science Advances上发表了他们的研究成果,他们使用界面敏感光谱研究蓝宝石基底(Sapphire)和壁虎刚毛(Gecko Setae)的接触界面,并提供了暴露在刚毛表面的极性脂质头部基团和蓝宝石基底之间酸碱相互作用的直接证据。在脱离期间,由于脂质层内的粘性破坏,一层未绑定的脂质会残留在基底表面作为足迹,这反过来会在高应力的滑动期间,减少刚毛的磨损。缺少了这层脂质层后,刚毛的粘附性会增强。研究结果表明,壁虎附着力不是基于VDW力的无残留体系。



为了破译壁虎粘附所涉及的相互作用的类型,重要的是确定哪些功能性的化学基团暴露在刚毛表面上,从而在界面暴露处起到粘合剂的作用。该研究中,作者主要利用表面灵敏的sum frequency generation spectroscopy(SFG)对此展开了研究。

图1. 实验过程示意图,探测蓝宝石基地与壁虎刚毛的(Sapphire-Gecko Setae)接触界面。用于研究Sapphire-Gecko Setae接触的方法的示意图与界面敏感SFG相互接触,其涉及可见波长和可调谐波长的红外(IR)光束的空间和时间重叠以产生仅来自界面区域的总和频率束


图2. 原始的刚毛的SFG光谱


图3. 齐平贴附的 setae 的SFG光谱和黏附力的测量。A)光谱B)粘附力结果


图4. 通过实验结果推测的在刚毛表面处的脂质层结构的示意图


SFG结果还表明,未绑定的脂质层在刚毛的表面上脱落,导致其头部暴露,类似于哺乳动物角质层中的脂质布置。我们使用Delipidized Gecko Setae的结果表明,并根据单个和全动物粘附测量的先前估计,刚毛毛发的实际接触面积小(〜2〜7%)。该研究突出了未结合的脂质在磨损中发挥的重要作用,并表明这些脂质在分离期间快速轻松地剥离。总之,该研究结果表明,壁虎足底与羟基化表面(如玻璃和蓝宝石)的粘合相互作用是由酸碱相互作用主导的,而不是微弱的VDW力。


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