自然界许多拥有攀爬能力的生物，如壁虎、苍蝇、蜘蛛、甲虫等，它们可以在竖直面甚至天花板表面爬行和停留，这得益于其足底微结构与物体表面的分子间形成的范德华力汇聚，形成了足以支撑自重的强黏附力。生物可靠的附着系统往往具有多层级、多机制、跨尺度的特征，表现出低预压、可控粘附脱的力学特性。受自然生物黏附系统启发，国内外涌现出了诸多类型的仿生黏附材料，以其广泛的固体表面适应性、可重复使用性、黏脱附可控性等优势，在仿生爬壁、巨量转印、灵巧手抓取、可穿戴电子等领域获得普遍关注和创新应用。
以末端膨大为微结构特征的仿生黏附材料，作为复杂形貌微结构阵列的典型实施例，在仿生表界面力学材料的研究中占有重要的地位，其制备工艺的探索与创新促进了仿生微纳制造技术的发展。特别是随着仿生黏附技术的工程化应用的发展，匹配规模化制造工艺的探讨方兴未艾。
在微纳尺度的阵列制造方法中，光刻工艺仍然是制作此类结构的主要加工方法。然而因其受限于投影曝光的二维（2D）加工特性，通常需要借助蘸取、双面紫外线曝光等辅助工艺，才能实现复杂的三维（3D）形貌构建，增加了制作过程的复杂性和局限性。因此，探索新的三维复杂微纳结构的制作方法具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
近日，公司负责人姬科举带领的科研团队提出了一种基于光刻热回流工艺的末端膨大仿生黏附材料制造技术。该技术利用光刻胶材料本身的物理特性，通过引入热能诱导材料结构发生变形，将传统光刻2D加工的特性扩展至准3D加工能力，该技术为微纳尺度的复杂微结构制造提供了一种技术方法。
该研究以末端膨大的仿生微结构制造为例，通过调节光刻胶热回流温度获得了对应的仿生微结构末端形貌可调的技术工艺，结合纳米压印或常规模塑工艺便可便捷的制备具有末端膨大结构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、剥离性能和可重复性随着末端膨大微柱几何结构的变化而变化。所制备的末端膨大仿生黏附材料在玻璃表面的法向黏附力为12.26 N/cm2，超过了壁虎足底的切向黏附力（10 N/cm2），且展现出良好的可重复适用性，在机械臂无损自适应黏附搬运以及常规物体位置固定等领域展现了应用可行性。
图1 a) 攀爬在玻璃上的壁虎个体图像及其脚趾刚毛的SEM照片；b) 末端膨大仿生微结构制备工艺示意图；c) 末端膨大仿生微结构阵列形貌图
光刻热回流制造工艺在末端膨大仿生微结构的调控制造中具有显著优势。该工艺通过精确控制光刻胶材料在玻璃化转变温度以上的热回流过程，利用表面张力和界面张力驱动材料重新分布，形成具有圆形截面的蘑菇状微结构。具体而言，在110°C至130°C的温度范围内，光刻胶聚合物链的流动性足以实现材料位移，同时通过拉普拉斯压力和界面张力作用，使光刻胶表面形成最小化表面能的圆形截面。冷却后，聚合物固化并保持其形状，从而实现对微结构几何形貌的精确调控。此外，该工艺避免了温度过高导致的材料脆化和过度交联问题，确保了微结构的稳定性和功能性。这种工艺为制造复杂形貌的仿生微结构阵列提供了工程化制造实现方案。
图2 a)光刻模具随热回流温度的变化；b)·以120°C热回流工艺为例说明光刻工艺模具的演化过程；c-e)微结构的高度h、尖端直径de和颈部直径di随热回流温度的变化；f-k) 不同热回流工艺下的仿生微结构显微形貌 ( (f) NTR; (g) TR - 110°C; (h) TR - 115°C; (i) TR - 120°C; (j) TR - 125°C; (k) TR - 130°C)
图3 a-c)黏附力、摩擦力、剥离力测试实验示意图及力-时间曲线；d-h) 不同预压力、脱附速度、真空度、预压载荷、剥离脱附角度下末端膨大仿生黏附材料的法向黏附力变化；i) 120°C和130°C热回流工艺制备的仿生黏附材料黏附性能可重复性
该工作是团队在仿生表界面力学材料方向的研究进展之一，提供了一种复杂形貌仿生微结构阵列的制造方法，具有工程化拓展的可参考性。近三年来，团队从仿生的视角出发，以航空航天、国防需求为牵引，聚焦泛半导体、工业自动化苛刻环境下固体界面操控需求，研制了仿生黏附垫（商品条码：6976093990006）、仿生摩擦垫（6976093990013）、物理吸盘（6976093990037）、APR版（6976093990020）、壁虎胶带（6976093990044）、微针吸盘（6976093990051）等系列化仿生表界面产品。研究成果和产品已在我国梦天实验舱、神舟15/16/17号载人航天任务中获得应用，并已批量应用于光电、半导体、自动化等领域主流企业、大厂，解决了真空、高低温、振动等环境下的界面操控技术难题。
该研究获得国家自然科学基金（52075249、62233008）、中国载人航天计划空间医学实验项目（HYZHXM01009）以及天元实验室基金（24-JSKY-ZZKT-14）的资助，谨此感谢。
论文信息：
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
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202402123
