仿生粘附材料大面积制造用可扩展双面湿法刻蚀策略（蘑菇状结构）

《Advanced Science》：A Scalable Double-Sided Wet Etching Strategy for Large-Area Mushroom-Shaped Bionic Adhesives

　　

蘑菇状尖端（mushroom-shaped tip）构型通过优化应力分布和增加界面接触来放大粘附强度，在提升仿生粘附材料性能方面起核心作用。然而，现有复杂粘附结构模具制备方法常受高成本、重复性差和复杂三维（3D）几何构型加工能力有限等限制，这凸显出对可支撑蘑菇状粘附构型可扩展制造的高强度3D金属模具的迫切需求。本研究提出一种基于协同双面非同时湿法刻蚀（double-sided non-simultaneous wet etching）的可扩展制造路线，在数十分钟内以一步减材工艺实现蘑菇状微结构的形貌精确控制和大面积制造。通过调控刻蚀时间和掩模尺寸，可准确且可重复地调节颈部位置（necking position）和锥角（taper angle）等关键几何参数。所复制粘附结构在常压下粘附强度最高达17.37 N cm?2，真空环境下性能保持率达98.26%，并具备优异表面适应性、可重复性和抗微振动能力。总之，该研究为高性能3D仿生粘附材料制造提供了高效策略。

《Advanced Science》论文解读：大面积蘑菇状仿生粘附材料的双面非同时湿法刻蚀制造

研究背景方面，甲虫和壁虎等动物的纤毛附着系统可产生基于范德华（van der Waals）作用的干粘附（dry adhesion）。蘑菇状尖端构型能重分布界面应力、抑制裂纹萌生与扩展，并适应多尺度粗糙表面。现有模具制造分为微纳3D打印、光刻、双光子聚合等直接负模制备，以及软模二次转移或金属化增强两类。硅模脆、软模易变形、金属直加工难做复杂3D欠切（undercut）轮廓，电铸等金属化效率低，因此大面积高性能蘑菇状仿生粘附制造受限于耐用且可扩展的模具。研究人员由此开展金属模具直接湿法刻蚀路线研究。

主要关键技术方法方面，研究人员采用304不锈钢箔作为模具基材，通过辊涂光致抗蚀剂（photoresist）、紫外（UV）曝光显影形成双面图形，再利用输送式双面刻蚀机实施非同时刻蚀：先以保护膜覆盖上表面进行单面刻蚀形成半球腔，再去除保护膜进行双面同步刻蚀形成颈部贯通孔。随后以抗粘氟涂层处理金属模具，采用高强度固体硅橡胶配合硫化剂，在平板硫化机中以20 MPa、175°C热压5 min完成复制成形。该方法无外部样本队列，属于工艺—结构—性能验证研究。

研究结果如下。

2.1 金属模具制造：研究人员通过草酸清洗、双面辊涂光致抗蚀剂、UV曝光200 mJ cm^?2、碳酸钠（Na₂CO₃）显影、三氯化铁（FeCl₃）刻蚀及氢氧化钠（NaOH）脱胶，获得形貌可控金属模具，说明光致抗蚀剂图形化与强制对流喷淋刻蚀可兼容大面积不锈钢加工。

2.2 蘑菇状微结构粘附材料制造：研究人员以耐高温硅胶膜防漏、低表面能模具促进脱模，说明高断裂伸长率硅胶与金属负模组合可实现500 μm厚复制层洁净 release。

2.3 蘑菇状腔体金属模具形貌控制：单面刻蚀显示刻蚀速率先升后降，由表面反应控制转为扩散控制；双面同时刻蚀因上表面涡旋滞流、下表面重力辅助更新而产生不对称。研究人员提出非同时刻蚀引入时间差，使残余金属层在涡旋场中心溶解形成颈部，说明单面时间、双面时间与掩模尺寸协同可调控颈部位置和侧墙锥角。

2.4 蘑菇状尖端粘附结构形貌调谐：高度比 i=H/T 随单面刻蚀时间增加而下降，掩模尺寸 D_m 主导端帽直径与单位材料接触面积。研究人员得出单面刻蚀时间定高度比、双面刻蚀时间定锥角与颈比、掩模尺寸定接触面积的三参数协同规律。

2.5 大气下与平柱体粘附性能比较：D_m-500 在0.5 mm s^?1回缩速度下达17.37 N cm^?2，1.5 mm s^?1下达20.10 N cm^?2；平柱体仅5.7 N cm^?2。说明端扩蘑菇尖通过抑制接触边应力集中显著提升常压粘附。

2.6 严苛条件下综合性能评价：0.1 MPa降至0.02 MPa时 D_m-500 仅衰减1.74%，平柱体衰减4.26%；高锥角尖端抑制脱附空腔成核，使吸附力主要源于固固界面作用。凸面半径30 cm时仍达10.7 N cm^?2；剥离角20°时剥离力1.56 N；1000次循环后保持92.5%；80 Hz、60 μm振动下平柱体10.24 s脱落而 D_m-500 全程附着。大尺寸样品可承剪6 kg、法向60 kg，跨金属、塑料、玻璃、木材界面稳定粘附。

讨论部分总结：研究人员指出湿法刻蚀模具策略可推广至复杂3D金属微结构制造，但受掩模分辨率与各向同性刻蚀限制，更小特征、更高深宽比和悬垂结构仍受限。未来应引入高精度掩模、各向异性刻蚀、主动流场控制，并建立耦合传质、反应动力学与几何演化的多尺度模型，由经验优化走向机理指导设计。

结论部分翻译：本工作提出协同双面非同时湿法刻蚀与平板硫化热压相结合的可扩展制造策略，实现高强度3D金属模具与蘑菇状微结构精确控制，克服常规单面及双面同时刻蚀的几何与工艺限制。优化构型在减压下仅衰减1.74%、适应曲面、抗振动、1000次循环后保持超92%粘附。该路线支持10 g至60 kg负载、跨曲率与跨材料稳定粘附，为仿生粘附材料大面积工业制造提供兼容路线，也为软体机器人、可穿戴器件和先进界面工程中的复杂金属微结构制造提供通用设计原则。