《Science》子刊：壁虎到底是怎樣攀附在垂直牆面上的？

雖然人們普遍認為，壁虎的粘附力受van der Waals （vdW）力的影響，但一些研究表明了非vdW力的影響，並強調了瞭解粘附接觸介面的重要性。以前的研究假設，壁虎剛毛的表面是疏水的，非極性的脂質尾巴暴露在表面。然而，支援這一假設的直接實驗證據及其對粘附機制的影響還缺乏瞭解。

在此，來自美國阿克倫大學的Ali Dhinojwala等研究者，使用介面敏感光譜研究了藍寶石-剛毛接觸介面，並提供了暴露在剛毛表面的極性脂類頭基與藍寶石之間酸鹼相互作用的直接證據。相關論文以題為“Direct evidence of acid-base interactions in gecko adhesion”發表在Science Advances上。

論文連結：

https：//advances。sciencemag。org/content/7/21/eabd9410

壁虎利用其具有粘性的趾墊輕鬆地在垂直牆壁上上下移動的能力，在過去的20年裡獲得了相當多的關注，包括從對粘附系統的基本理解感興趣的生物學家，到對開發新型合成粘合劑感興趣的材料科學家。這些具有粘性的趾墊的微觀結構，特別是對於一種壁虎（Gekko gecko）來說，由數百萬個被稱為剛毛的細小毛髮狀結構組成，在趾尖進一步分裂為200奈米寬和5奈米厚的奈米結構，稱為剷刀。這些奈米結構，在應用一個小的垂直預緊力和幾微米的平行阻力時，與襯底緊密接觸。抹刀與基材之間的緊密接觸產生的粘附力，超過了壁虎重量的許多倍。

Autumn等人在21世紀初的一項重要工作表明，範德華力（vdW）（也被稱為色散力，來自於電子雲的瞬時扭曲），控制著壁虎的粘附力。然而，一些研究對壁虎附著中vdW和非vdW力的相對重要性，提出了質疑。首先，早期的研究表明，壁虎對羥基化表面（如玻璃和氧化鋁）的附著力特別高，這不能僅僅用vdW力來解釋，因為vdW力對錶面化學並不敏感。與裸露的矽片相比，塗有疏水塗層的矽片的剛毛附著力更低，進一步證實了這些結果，並表明除了vdW相互作用之外的其他力量，可能有助於壁虎粘附。

其次，在剛毛和全動物水平上，壁虎的粘附力隨溼度的增加而增強，說明毛細力在潮溼環境中對壁虎的粘附也起作用。第三，利用密度泛函理論（DFT）計算甘氨酸和半胱氨酸分子的吸附能，發現vdW相互作用對總體相互作用能的貢獻很小。然而，甘氨酸和半胱氨酸分子，可能不能準確捕獲複雜的植膠表面結構和植膠-底物相互作用。雖然以上研究，強調了壁虎在使用通用vdW相互作用的同時，也使用非vdW相互作用的可能性，但非vdW為基礎的粘附機制的直接分子水平證據，仍然難以找到。

在這裡，研究者使用介面敏感SFG，一種二階非線性光學技術，來檢測壁虎剛毛和羥基化藍寶石（氧化鋁晶體形式之一）襯底之間的接觸介面。藍寶石表面羥基（OH）基團的存在，以及藍寶石羥基與接觸材料（在這種情況下是壁虎剛毛）分子間相互作用的性質和強度，對藍寶石羥基具有固有峰位移的響應。如果壁虎的粘附力完全由vdW相互作用決定，可以預計藍寶石峰最初在3710 cm−1（空氣中）只會移動20到30 cm−1。然而，更高的峰移意味著酸鹼相互作用的存在，這是一個包含氫鍵、電子對給體-受體、親電親核試劑和其他極性相互作用的廣義術語。

這項工作直接回答了兩個問題，這兩個問題在過去20年裡一直難以解決：（i）介面上是否存在非vdw相互作用可能導致壁虎粘附？（ii）去除未結合的脂質如何影響壁虎的粘附？研究表明，在剝離過程中，由於脂層內的內聚力失效，會留下一層未結合的脂層，從而減少高應力滑動過程中的磨損。這種脂層的缺失增強了附著力，儘管粘合劑與基體的接觸面積很小。研究結果表明：壁虎粘附並不是完全基於vdw的無殘留系統。

圖1 探測藍寶石-剛毛接觸介面的實驗構造。

圖2 原始剛毛的SFG光譜。

圖3 吸附剛毛和附著力結果的SFG光譜。

圖4 脂質在剛毛表面的可能排列。

綜上所述，該研究結果表明，壁虎與玻璃和藍寶石等羥基化表面的粘附作用主要是酸鹼相互作用，而不是單純的弱vdW力。SFG結果還表明，與哺乳動物角質層的脂質排列相似，未結合的脂質層位於剛毛表面，頭基暴露在外。研究者使用去脂化的壁虎剛毛的結果表明，剛毛的實際接觸面積很小（約2%到7%），與之前基於單個剛毛和整個動物粘附測量的估計相同。透過比較對原始剛毛和脫脂剛毛的觀察，研究者強調了未結合的脂質，在磨損和防止剛毛損傷方面的重要作用，並指明這些脂質在脫落過程中有助於快速和方便剝離。（文：水生）

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