Preparation and characterization of hierarchical patterned adhesives

Abstract

The remarkable adherence of geckos is attributed to the hierarchical structure on their feet pads. Although significant progress has been made, inspired by nature, in fabrication of dry adhesive materials on smooth surfaces, materials with similar adherence against rough surfaces are yet to be found. To better understand the effect of hierarchy on adherence we fabricated macroscopic models made of polydimethylsiloxane with different levels of hierarchy that were brought into contact with glass and with variously rough aluminum substrates. It was shown that adhesion decreases with higher micro- and macroroughness of the substrate. Further no benefits were found for the introduction of hierarchy levels. Another approach to fabricate biomimetic patterns was to exploit polystyrene (PS) µm-particles self-assembled into monolayers on a silicon surface. By treating them with oxygen plasma, nonclose-packed particle arrays with defined spacing were generated. The size and shape evolution of the PS particle layers during etching was analyzed and compared with different etch models. The etch mechanism is more complex than reported in the literature. The resulting patterns were used to fabricate silicon master templates that yield the finest hierarchical level via replica molding. Adhesion measurements were carried out to assess the performance of the softmoldings based on PS particle arrays. The results may help to design new adhesive structures.

Die Adhäsionsfähigkeit von Geckos ist auf die hierarchische Struktur an ihren Zehen zurückzuführen. Hiervon inspiriert versuchen viele Wissenschaftler trockene Adhäsionssysteme herzustellen. Fortschritte auf glatten Oberflächen konnten bereits verzeichnet werden, jedoch fehlen Strukturen, die ähnlich stark auch auf rauen Oberflächen haften. Um die Funktion der Hierarchie besser zu verstehen, stellten wir ein makroskopisches Modell aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit unterschiedlichen Hierarchieebenen her, das mit Glas und verschieden rauen Aluminiumsubstraten in Kontakt gebracht wurde. Es wurde gezeigt, dass die Adäsion mit höherer Mikro- sowie Makrosubstratrauigkeit abfällt, sowie die Einführung von Hierarchieebenen keinen Nutzen bringt. Für die Herstellung von bioinspirierten Strukturen in kleinerem Maßstab wurden monodisperse Polystyrolpartikel als Monolagen auf Siliziumoberflächen mittels konvektiver Anordnung abgeschieden. Durch Plasmabehandlung wurden Partikelanordnungen mit definiertem Abstand hergestellt. Die Größen- und Formentwicklung der Partikel wurde in Abhängigkeit des Ätzprozesses untersucht. Der zugrundeliegende Ätzmechanismus ist komplexer als bislang angenommen. Die resultierenden Partikelanordnungen könnten dazu dienen, Gießformen für die feinste Hierarchieebene herzustellen. Des Weiteren wurden Partikelmonolagen mit PDMS abgeformt und die Adhäsionsfähigkeit des Replikats gemessen. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen adhäsive Strukturen zu verbessern.