In the fabrication of dry adhesive structure, increasing contact-points or contact-area is the primary goal because the adhesive force grows in proportion to the contact-area. The simplest way to extend the contact surface is the fabrication by using soft materials. However, the column-array structure could confront the matting phenomenon which columns are stuck together. Therefore, we need a novel design to reduce the effective stiffness with adequate stiff materials like a gecko's setae. In this study, we propose a novel design for the dry adhesive structure. Moreover, we analyzed whether the adhesive structure conforms the rough surface sufficiently through finite element method adopted the non-bonding interaction as the body force. Also, we fabricated the novel structures via UV lithography and some techniques. In addition, we examined the adhesive force of the novel structures.
자연계에 존재하는 다양한 생명체 중 몇몇은 벽이나 천장을 자유자재로 걸어다니거나 뛰어다닌다. 이러한 생명체 중 대표적으로 Tokay Gecko는 그 발가락 표피에 수십억개의 주걱모양의 나노헤어를 가지고 있으며, 이러한 나노헤어는 부착하고자 하는 표면과의 원자수준의 끌어당기는 힘을 발생시키게 되며 이 힘을 이용해 접착제 없이 부착력을 얻게 되는 것이다. 최근 $7{\sim}8$년 동안 많은 연구자들은 이를 모방한 건식부착물의 제작 연구를 수행하고 있으며, 본 논문에서는 이러한 연구들의 개관을 통해 향후 연구방향에 대해 논의하고자 한다.
Nothobranchius guentheri and Nothobranchius patrizii have special life cycle to sustain the dry season. So, we investigated the fertilized eggs morphology, and compared ultrastructures of surface structures and the cross section of fertilized egg envelopes using light and electron microscopes to determine whether these fertilized eggs and egg envelopes show the species specificity or have special structure to sustain the dry season. These fertilized eggs were spherical, yellowish, demersal and adhesive, and had a one-sided large oil droplet. The whip-like structures, adhesive filament were distributed throughout egg envelope in both species. But, that of N. guentheri was covered with fibrous structures, and that of N. patrizii was smooth. The egg envelope consisted of two distinct layers: an outer, electron-dense layer containing adhesive filaments and an inner layer of 16 to 17 horizontal electron-dense lamellae alternating with 15 to 16 interlamellae of lower electron density in both species. The external shapes of fertilized egg and section of fertilized egg envelope were same, but ultrastructure of adhesive filaments on the outer surface was concluded to show species specificity. Our data indicate that the ultrastructural differences of adhesive filament and outer surface of fertilized egg envelope show species specificity although these species belong to same genus.
We reported the direct effect of intrinsic surface energy of dry adhesive material to the Van der Waals and capillary forces contributions of the total adhesion force in an artificial gecko-inspired adhesion system. To mimic the gecko foot we fabricated tilted nanohairy structures using both lithography and ion beam treatment. The nanohairy structures were replicated from Si wafer mold using UV curable polymeric materials. The control of nanohairs slanting angles was based on the uniform linear argon ion irradiation to the nanohairy polymeric surface. The surface energy was studied utilizing subsequent conventional oxygen ion treatment on the nanohairy structures which resulted in gradient surface energy. Our shear adhesion test results were found in good agreement with the accepted Van der Waals and capillary forces theory in the gecko adhesion system. Surface energy would give a direct impact to the effective Hamaker constant in Van der Waals force and the filling angle (${\varphi}$) of water meniscus in capillary force contributions of gecko inspired adhesion system. With the increasing surface energy, the effective Hamaker constant also increased but the filling angle decreased, resulting in a competition between the two forces. Using a simple mathematical model, we compared our experimental results to show the quantitative contributions of Van der Waals and capillary forces in a single adhesion system on both hydrophobic and hydrophilic surfaces. We found that the Van der Waals force contributes about 82.75% and 89.97% to the total adhesion force on hydrophilic and hydrophobic test surfaces, respectively, while the remaining contribution was occupied by capillary force. We also showed that it is possible to design ultrahigh dry adhesive with adhesion strength of more than 10 times higher than apparent gecko adhesion force by controlling the surface energy and the slanting angle induced-contact line of dry adhesive the materials.
자연계에 존재하는 다양한 생명체 중 몇몇은 벽이나 천장을 자유자재로 걸어다닌다. 이러한 생명체 중 대표적으로 Gecko는 발가락 표피에 수십억개의 주걱모양의 나노헤어를 가지고 있으며, 이러한 구조로 인하여 높은 접착력을 가진다. 본 연구에서는, 도마뱀 발바닥 섬모와 같은 미세 마이크로 구조물에 금속코팅을 하여 접착특성을 향상시키는 것을 제안한다. 도마뱀 모방 인공섬모 구조물을 DRIE공법으로 준비된 몰드를 이용하여 PDMS로 제조하였다. 그리고, 인공섬모의 금속 코팅은 플라즈마 스퍼터링을 사용하여 수행하였다. 접착력과 내구성은 실험을 유리에 반복 접착 실험으로 평가 하였다. 접착성 및 내구성 실험을 통하여 인공섬모 구조물에 금속코팅이 미치는 영향에 대해 관찰하였다.
Three-dimensional (3D) micro/nanostructures based on soft elastomers have received extensive attention in recent years, owing to their potential and advanced applicability. Designing and fabricating 3D micro/nanostructures are crucial for applications in diverse engineering fields, such as sensors, harvesting devices, functional surfaces, and adhesive patches. However, because of their structural complexity, fabricating soft-elastomer-based 3D micro/nanostructures with a low cost and simple process remains a challenge. Bio-inspired designs that mimic natural structures, or replicate their micro/nanostructure surfaces, have greatly benefited in terms of low-cost fabrication, scalability, and easy control of geometrical parameters. This review highlights recent advances in 3D micro/nanostructures inspired by nature for diverse potential and advanced applications, including flexible pressure sensors, energy-harvesting devices based on triboelectricity, superhydrophobic/-philic surfaces, and dry/wet adhesive patches.
최근, 자연 모사를 이용한 연구가 활발히 진행되어 지고 있다. 그 중에서도 높은 접착력으로 인해 이동이 자유로운 도마뱀붙이가 각광받고 있다. 도마뱀붙이는 발바닥 표피에 계층적 구조를 가지고 있고, 이러한 구조로 인하여 높은 접착력을 가진다. 본 연구에서는 건식 접착 구조물에 금속 코팅 두께에 따른 접착강도 변화에 대한 연구를 수행하였다. 건식 접착 구조물 제작을 위한 마이크로 몰드를 포토 리소그래피로 제작한 후, 고분자 폴리머인 PDMS를 사용하여 건식 접착 구조물을 제작하였다. 제작된 건식 접착 구조물의 금속 코팅은 플라즈마 스퍼터링을 사용하였다. 건식 접착 구조물의 접착력 실험은 Pure shear test방법을 통하여 평가하였다. 건식 접착 구조물에 인듐, 아연, 금을 코팅하였을 때 각각 4 nm, 8 nm 및 6 nm의 두께를 가질 때 접착 강도가 가장 우수한 결과를 보였다.
Gholami, M.;Sam, A.R. Mohd;Marsono, A.K.;Tahir, M.M.;Faridmehr, I.
Steel and Composite Structures
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제20권5호
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pp.999-1022
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2016
The use of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) to strengthen steel structures has attracted the attention of researchers greatly. Previous studies demonstrated bonding of CFRP plates to the steel sections has been a successful method to increase the mechanical properties. However, the main limitation to popular use of steel/CFRP strengthening system is the concern on durability of bonding between steel and CFRP in various environmental conditions. The paper evaluates the performance of I-section steel beams strengthened with pultruded CFRP plate on the bottom flange after exposure to diverse conditions including natural tropical climate, wet/dry cycles, plain water, salt water and acidic solution. Four-point bending tests were performed at specific intervals and the mechanical properties were compared to the control beam. Besides, the ductility of the strengthened beams and distribution of shear stress in adhesive layer were investigated thoroughly. The study found the adhesive layer was the critical part and the performance of the system related directly to its behavior. The highest strength degradation was observed for the beams immersed in salt water around 18% after 8 months exposure. Besides, the ductility of all strengthened beams increased after exposure. A theoretical procedure was employed to model the degradation of epoxy adhesive.
The cuticle of spider's exoskeleton is a hydrophobic and non-adhesive material, but the jumping spiders have the distinctive attachment apparatus for adhesion on smooth dry surface without sticky fluids. We have examined the whole tarsal appendages of the jumping spider, Plexippus setipes with using scanning electron microscope to reveal the fine structural characteristics of the dry adhesion system. All eight legs have the scopulae with a pair of claws on the tip of feet. Each scopula is composed of two groups of setae that are capable of dry adhesion on smooth surface, and the hook structure of the claw is advanced to move on the rough surface. The setae toward the bottom of the tarsal segment are densely covered by numerous setules on the underside which broadened from middle to distal portion. It has been revealed by this research that the contact area of the setule is always a triangular shape, and these cuticular surfaces are connected by the elongated stalks from the underlying setae. It is likely that the nano-scale structures including a triangular depression and a longitudinal groove on each setule could functionate when the spider detach its feet from the substrate.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제13권2호
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pp.229-237
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2012
In this study, the failure mechanism of sandwich-to-laminate T-joints under pull-off loading was investigated by experiment and the finite element method. A total of 26 T-joint specimens were manufactured and tested in order to investigate the effects of both adhesive thickness (0.4, 2.0, and 4.0 mm) and environmental conditions on the failure of the joints. The results showed that failure occurred mainly as intralaminar failure in the first layer of the sandwich face, which was contacted to the paste adhesive. The failure load did not significantly change with increasing adhesive thickness in both RTD (Room Temperature and Dry) and ETW (Elevated Temperature and Wet) conditions. In the case of ETW conditions, however, the failure load increased slightly with an increase in adhesive thickness. The joints tested in ETW conditions had higher failure loads than those tested in RTD conditions. In addition to the experiment, a finite element analysis was also conducted to investigate the failure of the joint. The stress inside the first ply of the sandwich face was of interest because during the experiment, failure always occurred there. The analysis results showed good agreement with the trend of experimental results, except for the case of the smallest adhesive thickness. The highest stress was predicted in the regions where initial failure was observed in the experiment. The maximum stress was almost constant when the adhesive thickness was beyond 2 mm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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