形状记忆聚合物表面多尺度可切换干粘附的粗糙度调控机制研究

为解决机器人操控、医用粘合剂和微组装中粘附力可逆调控的难题，韩国浦项科技大学Seok Kim团队开发了一种基于形状记忆聚合物(SMP)的纳米尖端表面，通过热响应性粗糙度调控实现了超1000倍的粘附力切换。该材料在宏观尺度的机器人抓取和微观尺度的微LED组装中均展现出卓越性能，为跨尺度可逆粘附提供了普适性解决方案。研究成果发表于《Nature Communications》。

　　

在仿生粘附材料领域，如何实现跨尺度的可逆粘附控制一直是重大挑战。传统粘合剂面临宏观尺度粘附力不足（"粘附悖论"）与微观尺度粘附力过强的矛盾，且缺乏快速切换能力。受壁虎脚掌刚毛结构和荷叶超疏水表面的启发，科学家们尝试通过微纳结构调控粘附性能，但现有技术难以兼顾多尺度适用性和高切换比。

韩国浦项科技大学Seok Kim团队创新性地将形状记忆聚合物(SMP)的相变特性与表面纳米结构设计相结合。研究人员利用氢氧化钾(KOH)湿法蚀刻硅模板，通过软光刻技术制备出密集排列的纳米尖端SMP表面。当温度高于玻璃化转变温度(T_g)时，材料处于高弹态（rubbery state），纳米尖端保持原始粗糙度导致弱粘附；在预压后冷却至玻璃态（R2G state）时，尖端扁平化形成大面积接触产生强粘附。这种通过热调控表面粗糙度的策略，巧妙地解决了粘附力与接触面积的固有矛盾。

研究采用三项关键技术：1) 各向异性湿法蚀刻制备可调控粗糙度的硅模板；2) 硬质聚二甲基硅氧烷(H-PDMS)转印纳米结构；3) 结合焦耳加热和热电制冷(Peltier)的快速温控系统。通过有限元分析(FEA)和实验验证，证实当表面均方根粗糙度(R_q)>200nm时，橡胶态粘附力趋近于零，而R2G态粘附力可达483mN，切换比超1000倍。

【结果与讨论】
粗糙度可控SMP表面的粘附特性
通过调节KOH浓度(1-10wt%)制备不同粗糙度的硅模板，复制出的SMP表面在R_q≈227nm时展现最佳性能。3D光学轮廓仪和功率谱密度(PSD)分析显示，R2G态接触面积增加40%，有限元模拟证实粘附功从0.26μJ（橡胶态）跃升至34.27μJ（R2G态）。

宏观尺度粘附悖论的突破
在织物等粗糙基底上，纳米尖端扁平化使R_q从227nm降至45nm，实现牢固粘附。对玻璃、亚克力等材料的测试显示，R2G态粘附力比橡胶态高三个数量级，且20次循环后性能无衰减。

微观尺度的可切换粘附
该表面成功转移5μm硅片(Si ink)和200nm氮化硅(Si₃N₄)微结构，预压力仅需传统方法的1/10。通过扩大SMP面积，实现了微球阵列的并行转移印刷，为微LED组装提供新方案。

实际应用验证
集成热电模块的六轴机器人能精准抓放A4纸、IC芯片等物体；在微电子领域，成功将300μm微LED芯片转移至聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底，制成柔性显示器，电流-电压(I-V)曲线显示器件性能无损。

该研究开创性地通过单一材料系统解决了多尺度粘附调控的共性难题。SMP纳米尖端表面的低成本、可扩展制造特性，使其在工业微组装、医疗贴片和软体机器人等领域具有广阔应用前景。特别是对5μm以下微器件的无损操纵能力，超越了传统自组装技术的极限，为下一代微纳制造提供了变革性工具。研究揭示的表面粗糙度-粘附力定量关系，为仿生粘附材料的理性设计建立了新范式。