自然界許多擁有攀爬能力的生物，如壁虎、蒼蠅、蜘蛛、甲蟲等，它們可以在豎直面甚至天花板表面爬行和停留，這得益于其足底微結(jié)構(gòu)與物體表面的分子間形成的范德華力匯聚，形成了足以支撐自重的強(qiáng)黏附力。生物可靠的附著系統(tǒng)往往具有多層級、多機(jī)制、跨尺度的特征，表現(xiàn)出低預(yù)壓、可控粘附脫的力學(xué)特性。受自然生物黏附系統(tǒng)啟發(fā)，國內(nèi)外涌現(xiàn)出了諸多類型的仿生黏附材料，以其廣泛的固體表面適應(yīng)性、可重復(fù)使用性、黏脫附可控性等優(yōu)勢，在仿生爬壁、巨量轉(zhuǎn)印、靈巧手抓取、可穿戴電子等領(lǐng)域獲得普遍關(guān)注和創(chuàng)新應(yīng)用。
以末端膨大為微結(jié)構(gòu)特征的仿生黏附材料，作為復(fù)雜形貌微結(jié)構(gòu)陣列的典型實(shí)施例，在仿生表界面力學(xué)材料的研究中占有重要的地位，其制備工藝的探索與創(chuàng)新促進(jìn)了仿生微納制造技術(shù)的發(fā)展。特別是隨著仿生黏附技術(shù)的工程化應(yīng)用的發(fā)展，匹配規(guī)模化制造工藝的探討方興未艾。
在微納尺度的陣列制造方法中，光刻工藝仍然是制作此類結(jié)構(gòu)的主要加工方法。然而因其受限于投影曝光的二維（2D）加工特性，通常需要借助蘸取、雙面紫外線曝光等輔助工藝，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的三維（3D）形貌構(gòu)建，增加了制作過程的復(fù)雜性和局限性。因此，探索新的三維復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的制作方法具有重要的科學(xué)研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
近日，公司負(fù)責(zé)人姬科舉帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光刻熱回流工藝的末端膨大仿生黏附材料制造技術(shù)。該技術(shù)利用光刻膠材料本身的物理特性，通過引入熱能誘導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，將傳統(tǒng)光刻2D加工的特性擴(kuò)展至準(zhǔn)3D加工能力，該技術(shù)為微納尺度的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造提供了一種技術(shù)方法。
該研究以末端膨大的仿生微結(jié)構(gòu)制造為例，通過調(diào)節(jié)光刻膠熱回流溫度獲得了對應(yīng)的仿生微結(jié)構(gòu)末端形貌可調(diào)的技術(shù)工藝，結(jié)合納米壓印或常規(guī)模塑工藝便可便捷的制備具有末端膨大結(jié)構(gòu)特征的仿生黏附材料。末端膨大的仿生黏附材料的黏附性能、摩擦性能、剝離性能和可重復(fù)性隨著末端膨大微柱幾何結(jié)構(gòu)的變化而變化。所制備的末端膨大仿生黏附材料在玻璃表面的法向黏附力為12.26 N/cm2，超過了壁虎足底的切向黏附力（10 N/cm2），且展現(xiàn)出良好的可重復(fù)適用性，在機(jī)械臂無損自適應(yīng)黏附搬運(yùn)以及常規(guī)物體位置固定等領(lǐng)域展現(xiàn)了應(yīng)用可行性。
圖1 a) 攀爬在玻璃上的壁虎個(gè)體圖像及其腳趾剛毛的SEM照片；b) 末端膨大仿生微結(jié)構(gòu)制備工藝示意圖；c) 末端膨大仿生微結(jié)構(gòu)陣列形貌圖
光刻熱回流制造工藝在末端膨大仿生微結(jié)構(gòu)的調(diào)控制造中具有顯著優(yōu)勢。該工藝通過精確控制光刻膠材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的熱回流過程，利用表面張力和界面張力驅(qū)動材料重新分布，形成具有圓形截面的蘑菇狀微結(jié)構(gòu)。具體而言，在110°C至130°C的溫度范圍內(nèi)，光刻膠聚合物鏈的流動性足以實(shí)現(xiàn)材料位移，同時(shí)通過拉普拉斯壓力和界面張力作用，使光刻膠表面形成最小化表面能的圓形截面。冷卻后，聚合物固化并保持其形狀，從而實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)幾何形貌的精確調(diào)控。此外，該工藝避免了溫度過高導(dǎo)致的材料脆化和過度交聯(lián)問題，確保了微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能性。這種工藝為制造復(fù)雜形貌的仿生微結(jié)構(gòu)陣列提供了工程化制造實(shí)現(xiàn)方案。
圖2 a)光刻模具隨熱回流溫度的變化；b)·以120°C熱回流工藝為例說明光刻工藝模具的演化過程；c-e)微結(jié)構(gòu)的高度h、尖端直徑de和頸部直徑di隨熱回流溫度的變化；f-k) 不同熱回流工藝下的仿生微結(jié)構(gòu)顯微形貌 ( (f) NTR; (g) TR - 110°C; (h) TR - 115°C; (i) TR - 120°C; (j) TR - 125°C; (k) TR - 130°C)
圖3 a-c)黏附力、摩擦力、剝離力測試實(shí)驗(yàn)示意圖及力-時(shí)間曲線；d-h) 不同預(yù)壓力、脫附速度、真空度、預(yù)壓載荷、剝離脫附角度下末端膨大仿生黏附材料的法向黏附力變化；i) 120°C和130°C熱回流工藝制備的仿生黏附材料黏附性能可重復(fù)性
該工作是團(tuán)隊(duì)在仿生表界面力學(xué)材料方向的研究進(jìn)展之一，提供了一種復(fù)雜形貌仿生微結(jié)構(gòu)陣列的制造方法，具有工程化拓展的可參考性。近三年來，團(tuán)隊(duì)從仿生的視角出發(fā)，以航空航天、國防需求為牽引，聚焦泛半導(dǎo)體、工業(yè)自動化苛刻環(huán)境下固體界面操控需求，研制了仿生黏附墊（商品條碼：6976093990006）、仿生摩擦墊（6976093990013）、物理吸盤（6976093990037）、APR版（6976093990020）、壁虎膠帶（6976093990044）、微針吸盤（6976093990051）等系列化仿生表界面產(chǎn)品。研究成果和產(chǎn)品已在我國夢天實(shí)驗(yàn)艙、神舟15/16/17號載人航天任務(wù)中獲得應(yīng)用，并已批量應(yīng)用于光電、半導(dǎo)體、自動化等領(lǐng)域主流企業(yè)、大廠，解決了真空、高低溫、振動等環(huán)境下的界面操控技術(shù)難題。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金（52075249、62233008）、中國載人航天計(jì)劃空間醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（HYZHXM01009）以及天元實(shí)驗(yàn)室基金（24-JSKY-ZZKT-14）的資助，謹(jǐn)此感謝。
論文信息：
Effect of Thermal Reflow on Microstructural Morphology and Contact Mechanics in the Photo-lithographic Fabrication of Biomimetic Adhesive Materials
Conghui Li, Jiahui Zhao, Jian Chen, Jun Sun, Zhiyong Hu, Yuanming Ji, Qianqian Li, Haozhen Zhan, Kai Deng, Jianming Wu, Zhendong Dai,* and Keju Ji*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202402123
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202402123
