如果膠帶像壁虎的腳一樣黏......

--本文由日經BP社提供

2012年2月日東電工宣佈，從壁虎腳掌獲得啟發的「壁虎膠帶」已開始用於商業用途。可在牆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大吸附力，還可在爬行時輕鬆離開物體表面。而且不會留下粘液等痕跡。如果能夠人工製造具備這種黏附特性的膠帶產品，使用起來會很方便。

懷著這種期待，世界各地的大學、研究機構及企業等紛紛著手開發壁虎膠帶，而日東電工領先於其他國家的企業率先實現了這種膠帶的產品化。

日東電工開發的壁虎膠帶以每平方公分100億根的密度密集地排列了直徑幾奈米到幾十奈米的碳奈米管（CNT）。剪切方向的黏合力出色，面積僅1平方公分左右的膠帶可保持500g的黏合力。揭下時可輕鬆剝離，還能反覆使用。不會像傳統膠帶一樣留下黏合劑。而且，可在-150～500℃的大溫度範圍內使用。利用這一特性，該公司的關聯公司已開始將其用作分析試料的固定膠帶。據日東電工介紹，目標是2015年開始對外銷售*1。

*1據該公司介紹，目前壁虎膠帶的剪切黏接強度為45N/cm2，雖然比壁虎的55N/cm2、普通膠帶的60N/cm2稍遜一籌，但作為實用膠帶使用已經足夠。

壁虎膠帶終於實現
1cm2左右的膠帶可支撐500g的重量（a）。還可製造沒有基板的雙面膠（b）。

解開長期未解之謎

其實，「最近100年來，人們對壁虎具有強大吸附力的原理一直眾說紛紜，是一個長期未解之謎」日東電工研究開發本部新計劃探索部主任研究員前野洋平說。直到2000年前後謎底才被揭開。

在電子顯微鏡下觀察壁虎的腳尖，發現腳掌上以10萬～100萬根/cm2的密度生長著極細的絨毛，而每根絨毛頂端又生有100～1000根左右的分支。頂端分出的細毛密度達到了10億根/cm2以上。因為每根細毛都可以緊貼在對象物上，因此二者之間可產生凡得瓦力，從而能夠黏在一起。

壁虎腳尖的構造
壁虎爪乍看上去好像只有細褶（a）。在電子顯微鏡下放大，發現密集地生長著非常細的絨毛（b）。進一步放大，可以看到頂端有更細的分支（c）

一般的膠帶也是利用凡得瓦力黏合的，與壁虎膠帶的原理相同。但凡得瓦力必須在分子之間靠得極近時才能發揮作用，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，普通膠帶需要在黏合對象物與膠帶之間填充彈性模量較低的黏合劑。也就是說，通過浸潤的方法，使凡得瓦力發揮作用。但使用這種黏合劑的膠帶存在很難剝離、剝離時會留下黏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品而備受期待。

壁虎腳底的絨毛由名為β角質的物質構成，其楊氏模量為109Pa，比普通膠帶（104～105 Pa）還要高。但其微細構造會使表面彈性模量降低，因此可嵌入物質表面的凹凸部分發揮黏合力。

「發現壁虎腳底的構造非常關鍵。」壁虎膠帶就是模仿這種微細構造開發的。也就是說，並未採用以原來的黏合劑彈性模量來控制黏合力的方法，而是採用了通過改進構造來控制黏合力的新方法。

具有重要意義的分支構造

將膠帶作為主營業務的日東電工開發壁虎膠帶，可以說是一個非常自然的過程。該公司將前野派往當時走在研究最前沿的美國加州大學柏克萊分校。前野在那裏學習了黏合理論。

其實，前野最初曾在該校以聚醯亞胺纖維倣造了壁虎絨毛頂端部細毛密集的構造。但研究的進展並不順利。纖維之間因存在凡得瓦力而凝聚，無法實現黏合功能。壁虎腳尖的絨毛之所以光是頂端部生有細小的分支，就是為了防止凝聚。

那麼形成膠帶時如何解決這個問題？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造。另一種是使用高剛性材料代替分支構造來防止凝聚。

日東電工採用了構造簡單的後者，與大阪大學研究所工學研究系機械工學專業教授中山喜萬等人合作，開發出了CNT像壁虎絨毛一樣排列的膠帶。CNT的直徑極小，可實現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。在經過微細加工的基板上控制CNT的生成條件，便可使其朝著一個方向生長。該公司將其嵌入熔融狀態的聚丙烯（pp）基板，形成了膠帶狀。

壁虎膠帶的電子顯微鏡圖片
細毛狀物體是CNT。倣造了壁虎的腳掌。

儘管詳情未予公開，但日東電工稱採用了長度為1mm左右的單壁或多層CNT。目前，還能製造沒有PP基板的雙面膠，有望用於固定載玻片等用途。 

課題是量產與價格

但因這種膠帶使用CNT，所以存在價格高且很難大量供應的難點。目前只能作為分析試料的固定膠帶使用也是因為這個原因。日東電工認為，該產品可發揮能在高溫及真空等嚴酷環境下反覆使用、不會弄髒黏合對象的特性*2。今後，將打算在提高量產技術並降低成本後，對外銷售。 

*2據日東電工介紹，黏合時也需要技術訣竅。目前只限於在集團企業內使用估計也是因為考慮到了這個原因。