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構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黏附力。生物可靠的附著系統(tǒng)往往具有多層級、多機制、跨尺度的特征，表現(xiàn)出低預壓、可控粘附脫的力學特性。受自然生物黏附系統(tǒng)啟發(fā)，國內外涌現(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性、可重復使用性、黏脫附可控性等優(yōu)勢，在仿生爬壁、巨量轉印、靈巧手抓取、可穿戴電子等領域獲得普遍關注和創(chuàng)新應用。
以末端膨大為微結構特征的仿生黏附材料，作為復雜形貌微結構陣列的典型實施例，在仿生表界面力學材料的研究中占有重要的地位，其制備工藝的探索與創(chuàng)新促進了仿生微納制造技術的發(fā)展。特別是隨著仿生黏附技術的工程化應用的發(fā)展，匹配規(guī)?；圃旃に嚨奶接懛脚d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構的主要加工方法。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，才能實現(xiàn)復雜的三維（3D）形貌構建，增加了制作過程的復雜性和局限性。因此，探索新的三維復雜微納結構的制作方法具有重要的科學研究意義和工程應用價值。
近日，公司負責人姬科舉帶領的科研團隊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。該技術利用光刻膠材料本身的物理特性，通過引入熱能誘導材料結構發(fā)生變形，將傳統(tǒng)光刻2D加工的特性擴展至準3D加工能力，該技術為微納尺度的復雜微結構制造提供了一種技術方法。
該研究以末端膨大的仿生微結構制造為例，通過調節(jié)光刻膠熱回流溫度獲得了對應的仿生微結構末端形貌可調的技術工藝，結合納米壓印或常規(guī)模塑工藝便可便捷的制備具有末端膨大結構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、剝離性能和可重復性隨著末端膨大微柱幾何結構的變化而變化。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)出良好的可重復適用性，在機械臂無損自適應黏附搬運以及常規(guī)物體位置固定等領域展現(xiàn)了應用可行性。
圖1 a) 攀爬在玻璃上的壁虎個體圖像及其腳趾剛毛的SEM照片；b) 末端膨大仿生微結構制備工藝示意圖；c) 末端膨大仿生微結構陣列形貌圖
光刻熱回流制造工藝在末端膨大仿生微結構的調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變溫度以上的熱回流過程，利用表面張力和界面張力驅動材料重新分布，形成具有圓形截面的蘑菇狀微結構。具體而言，在110°C至130°C的溫度范圍內，光刻膠聚合物鏈的流動性足以實現(xiàn)材料位移，同時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，從而實現(xiàn)對微結構幾何形貌的精確調控。此外，該工藝避免了溫度過高導致的材料脆化和過度交聯(lián)問題，確保了微結構的穩(wěn)定性和功能性。這種工藝為制造復雜形貌的仿生微結構陣列提供了工程化制造實現(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)微結構的高度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構顯微形貌 ( (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、剝離力測試實驗示意圖及力-時間曲線；d-h) 不同預壓力、脫附速度、真空度、預壓載荷、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性
該工作是團隊在仿生表界面力學材料方向的研究進展之一，提供了一種復雜形貌仿生微結構陣列的制造方法，具有工程化拓展的可參考性。近三年來，團隊從仿生的視角出發(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品。研究成果和產品已在我國夢天實驗艙、神舟15/16/17號載人航天任務中獲得應用，并已批量應用于光電、半導體、自動化等領域主流企業(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難題。
該研究獲得國家自然科學基金（52075249、62233008）、中國載人航天計劃空間醫(yī)學實驗項目（HYZHXM01009）以及天元實驗室基金（24-JSKY-ZZKT-14）的資助，謹此感謝。
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
