專利名稱：一種具有不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開一種具有不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備新方法，涉及材料化 學(xué)領(lǐng)域和微機(jī)械加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自然界中，壁虎具有完美的爬壁能力。受此啟發(fā)，研究壁虎爬壁粘附機(jī)理，模 仿壁虎爬壁行為已成為研究的熱點(diǎn)。2000年Autumn和Full等人在《Nature》405卷第 681頁報(bào)道了壁虎腳掌的粘附力來自于分子間作用力-范德瓦爾斯力。顯微研究表明壁 虎腳掌分布數(shù)百萬根微納米結(jié)構(gòu)的剛毛陣列，每根剛毛的頂端具有抹刀狀結(jié)構(gòu)，這些抹 刀狀結(jié)構(gòu)保證每根剛毛與接觸面都有很好的緊密接觸。這些剛毛與壁面緊密接觸產(chǎn)生的 范德華力累積幫助壁虎在壁面上實(shí)現(xiàn)快速粘附與脫附。自然界中，除壁虎外，還有一些 昆蟲腳上的觸毛頂端具有不同的結(jié)構(gòu)形貌，如球形、吸盤形、平面形、圓錐形和環(huán)形 等，這些不同的頂端形貌在其粘附功能中起了重要的作用。根據(jù)壁虎腳掌結(jié)構(gòu)，人們制 備出了仿生粘附陣列材料，這些結(jié)構(gòu)材料在生物醫(yī)學(xué)、精密工業(yè)以及攀爬機(jī)器人等方面 都具有很大的應(yīng)用前景，特別是與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，能使其到達(dá)人類無法到達(dá)的特定 區(qū)域工作，大大拓展了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。目前，對(duì)于仿生粘附陣列材料的制備，文獻(xiàn)中已有很多報(bào)道?？傮w來說，主要 有兩類制備方案，即以微加工手段為基礎(chǔ)的自上而下(top-down)的制備方法和以納米生 長、組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的自下而上(Bottom-up)的方法。例如C.Greiner等在《Langmuir》 2007年23卷第3495頁報(bào)道了通過刻蝕和模板復(fù)型相結(jié)合制備了 PDMS微米柱粘附陣列； Dai等在《Science》2008年322卷第238頁報(bào)道的通過化學(xué)氣相沉積法在附有催化劑顆 粒的基板上生長CNTs粘附陣列。雖然目前仿生粘附材料的制備方法有多種，但是，壁虎 腳趾剛毛結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)較多，它們之間又相互聯(lián)系，找到一個(gè)合適的組成材料與結(jié)構(gòu) 參數(shù)相匹配的最佳條件仍是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。特別是現(xiàn)有的仿生粘附陣列頂端形貌較為 單一，大多數(shù)為平面結(jié)構(gòu)或球形結(jié)構(gòu)，Sitti和Campo分別在《Appl.Phys.Lett.》2006年 89期261911頁和《Advanced Materials)) 2007年19卷1973頁報(bào)道制備出了具有頂端形 貌的仿生粘附陣列，但是他們的制備方法需要三維結(jié)構(gòu)模板和點(diǎn)蘸技術(shù)，較為復(fù)雜，難 于操作，有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種制備具有不同頂端形貌的仿生粘附陣列的新方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是以紫外光刻、電感耦合等離子體刻蝕為主要微加工技術(shù)手段，在硅 基片上實(shí)現(xiàn)微米柱陣列；以聚二甲基硅氧烷為復(fù)型材料制備具有微米孔陣列結(jié)構(gòu)的軟模 板；在模板中對(duì)溶劑性高分子材料溶液采用不同工藝塑膜、固化，最后采用機(jī)械方法將 模板脫去。最終實(shí)現(xiàn)可迅速粘附與脫附的仿生粘附微米柱陣列材料，即仿生干性粘附材 料。
本發(fā)明所述仿生粘附微米柱結(jié)構(gòu)所具備的結(jié)構(gòu)特征為(1)高縱橫比微米柱結(jié) 構(gòu)陣列；(2)陣列頂端具有抹刀狀結(jié)構(gòu)；(3)陣列頂端具有圓弧狀結(jié)構(gòu)；(4)陣列頂端具 有平面狀結(jié)構(gòu)；(5)陣列頂端具有凹陷狀結(jié)構(gòu)。所述溶劑性高分子材料包括水溶性聚氨酯(PU)材料和聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)等，凡是使用屬于溶濟(jì)性高分子材料范疇，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。將聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA)可以溶解在二甲基甲酰胺溶劑中，形成溶液即可進(jìn)行澆注流程。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種具有不同頂端形貌結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，特征在于包括以下步 驟(一)對(duì)硅基片進(jìn)行濃硫酸煮洗、去離子水沖洗和脫水烘焙處理，以除去硅基片 表面的污染物；除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增?qiáng)表面的粘附性。(二)利用具有實(shí)心圓點(diǎn)陣列圖案的掩膜板，通過紫外光刻工藝在硅基片表面獲 得光刻膠掩膜圖案。對(duì)帶有光刻膠掩膜的硅基片進(jìn)行電感耦合等離子體刻蝕得到所需尺寸的微米柱 陣列。利用聚二甲基硅氧烷澆注(覆蓋)、固化、機(jī)械脫模制備具有微米孔陣列結(jié)構(gòu)的軟 模板(即模板-1)。電感耦合等離子體刻蝕(ICP)參數(shù)ICP功率10W，RE功率750W， SF6氣流量70-90sccm，C4F8氣流量60_80sccm，時(shí)間5_10分鐘。聚二甲基硅氧烷固化 溫度為70°C -IOO0C,時(shí)間為2-5小時(shí)。(三)利用具有空心圓點(diǎn)陣列圖案的掩膜板，通過紫外光刻工藝在硅基片表面獲 得光刻膠掩膜圖案。對(duì)帶有光刻膠掩膜的硅基片進(jìn)行電感耦合等離子體刻蝕得到所需尺 寸的微米空心柱陣列。利用聚二甲基硅氧烷澆注、固化、機(jī)械脫模制備具有孔底端帶突 起點(diǎn)的微米孔陣列結(jié)構(gòu)的軟模板(即模板_2)。電感耦合等離子體刻蝕(ICP)參數(shù)ICP 功率 10W，RE 功率 750W，SF6 氣流量 70-90sccm，C4F8 氣流量 60_80sccm，時(shí)間 5-10 分鐘。聚二甲基硅氧烷固化溫度為70°C-100°C，時(shí)間為2-5小時(shí)。(四)將模板-1放在加熱器上加熱至80°C-12(TC，然后將溶劑性高分子材 料溶液覆蓋在模板-1上，然后將模板-1從加熱器上取下，冷卻、排除氣泡，放入烘 箱烘干固化、脫模，得到具有抹刀狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。固化溫度為 400C -60°C,固化時(shí)間為8-15小時(shí)。(五)將溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模板-1上，放入烘箱烘干固化、脫 模，得到具有圓弧狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。固化溫度為40°C-6(TC，固化 時(shí)間為8-15小時(shí)。(六)將溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模板-1上，在自然環(huán)境下緩慢固化、 脫模，得到具有平面狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。即固化溫度為15°C -25 固化時(shí)間為15-25小時(shí)。(七)將溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模板_2上，放入烘箱烘干固化、脫 模，得到具有凹陷狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。固化溫度為40°C-6(TC，固化 時(shí)間為8-15小時(shí)。本發(fā)明結(jié)合紫外光刻、電感耦合等離子體刻蝕和聚二甲基硅氧烷復(fù)型制備兩種 類型的軟模板模板-1(具有微米孔陣列)；模板-2(具有微米孔陣列，孔底端有突起)，并通過對(duì)溶劑性高分子材料溶液復(fù)型得到具有不同頂端形貌的仿生粘附陣列材料， 拓寬了微加工工藝的應(yīng)用范圍，豐富了仿壁虎粘附材料的研究手段，對(duì)仿生粘附材料的 應(yīng)用以及仿壁虎機(jī)器人的研究有非常大的推動(dòng)作用。


圖1是兩類聚二甲基硅氧烷模板的制備流程示意圖其中1-1為勻膠Al為 紫外光刻膠，A2為硅基片；1-2為紫外光刻A3為光刻后實(shí)心圓點(diǎn)陣列圖，A4為光刻 后空心圓點(diǎn)(環(huán)形點(diǎn))陣列圖；1-3為電感耦合等離子體刻蝕(ICP刻蝕)A5為ICP刻 蝕后硅柱陣列，A6為ICP刻蝕后空心硅柱陣列；1-4為澆注流程A7用聚二甲基硅氧烷 對(duì)A5進(jìn)行復(fù)型(澆注)，A8用為聚二甲基硅氧烷對(duì)對(duì)A6進(jìn)行復(fù)型；1-5為脫模獲軟模 板流程A9為A7脫模后獲得模板-1，AlO為A8脫模后獲得模板_2。圖2是具有不同頂端形貌的仿生粘附陣列的制備流程示意圖，其中，2-1為模 板-1: Bl用溶劑性高分子材料溶液覆蓋(澆注)，B2為模板-1放在加熱臺(tái)烘烤，B3為 固化脫模獲頂端形貌為抹刀狀的微米柱陣列；B4用溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模 板-1上，B5固化脫模獲頂端形貌為圓弧狀的微米柱陣列；B6用溶劑性高分子材料溶液 直接覆蓋在模板-1上，B7固化脫模獲頂端形貌為平面狀的微米柱陣列。2-2為模板-2: Cl用溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋(澆注)在模板_2上，C2烘干固化脫模，獲頂端 形貌為凹陷狀的微米柱陣列。圖3是具有抹刀狀頂端形貌的仿生粘附陣列示意4是具有圓弧狀頂端形貌的仿生粘附陣列示意5是具有平面狀頂端形貌的仿生粘附陣列示意6是具有凹陷狀頂端形貌的仿生粘附陣列示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述實(shí)施例1 (1)依次對(duì)硅基片進(jìn)行濃硫酸煮洗、去離子水沖洗和脫水烘焙處理，以除去硅基 片表面的污染物；除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增?qiáng)表面的黏附性。(2)利用具有六角排列的實(shí)心鉻圓點(diǎn)的掩膜板，鉻圓點(diǎn)直徑3微米，間距3微 米，通過紫外光刻工藝在硅基片表面獲得光刻膠掩膜圖案。(3)對(duì)帶有光刻膠掩膜的硅基片進(jìn)行電感耦合等離子體刻蝕得到微米柱陣列，柱 直徑3微米，間距3微米，長度(高度)8微米，六角排列。(4)利用聚二甲基硅氧烷澆注、固化、機(jī)械脫模制備具有微米孔陣列結(jié)構(gòu)的軟模 板(模板-1)，固化溫度70°C，時(shí)間為4小時(shí)。(5)將模板-1放在加熱器上加熱至80°C，然后將水溶性聚氨酯(PU)材料覆蓋在 模板-1上，然后將模板-1從加熱器上取下冷卻，排除氣泡，放入烘箱烘干固化，固化溫 度40°C，時(shí)間為8小時(shí)，最后脫模得到具有抹刀狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。實(shí)施例2:將水溶性聚氨酯(PU)材料直接覆蓋在模板-1上，放入烘箱烘干固化，固化溫度40°C，時(shí)間為10小時(shí)，最后脫模得到具有圓弧狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。實(shí)施例3 將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的二甲基甲酰胺溶液直接覆蓋在模板-1上，放入 烘箱烘干固化，固化溫度60°C，時(shí)間為15小時(shí)，最后脫模得到具有平面狀頂端形貌的仿 生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。實(shí)施例4 將水性聚氨酯(PU)材料直接覆蓋在模板-1上，自然環(huán)境下緩慢固化，固化溫 度20°C，時(shí)間為20小時(shí)，最后脫模得到具有平面狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。實(shí)施例5 (1)對(duì)硅基片進(jìn)行濃硫酸煮洗、去離子水沖洗和脫水烘焙處理，以除去硅基片表 面的污染物；除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增?qiáng)表面的黏附性。(2)利用具有六角排列的空心鉻圓點(diǎn)的掩膜板，通過紫外光刻工藝在硅基片表面 獲得光刻膠掩膜圖案。(3)對(duì)帶有光刻膠掩膜的硅基片進(jìn)行電感耦合等離子體刻蝕得到所需尺寸的微米 空心柱陣列。(4)利用聚二甲基硅氧烷澆注、固化、機(jī)械脫模制備具有孔底端帶突起點(diǎn)的微米 孔陣列結(jié)構(gòu)的軟模板(模板_2)。(5)將水溶性聚氨酯(PU)材料覆蓋在模板_2上，放入烘箱烘干固化，固化溫度 40時(shí)間為10小時(shí)，脫模后得到具有凹陷狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。(6)將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的二甲基甲酰胺溶液直接覆蓋在模板_2上， 放入烘箱烘干固化，固化溫度60°C，時(shí)間為15小時(shí)，最后脫模后獲得具有凹陷狀頂端形 貌的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。實(shí)施例6 在實(shí)施例5的基礎(chǔ)上，將水性聚氨酯(PU)材料覆蓋在模板_2上，放入烘箱烘干 固化，固化溫度40°C，時(shí)間為10小時(shí)，脫模后得到具有凹陷狀頂端形貌的仿生微米結(jié)構(gòu) 粘附陣列。
權(quán)利要求
1.一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于(1)利用掩膜板對(duì)硅基片進(jìn)行紫外光刻、電感耦合等離子體刻蝕，獲得硅襯底微米柱 陣列或微米空心柱陣列；(2)利用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行復(fù)形制備出軟模板；(3)利用溶劑性高分子材料澆注、固化、脫模獲得仿生粘附微米柱陣列材料。所述不 同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附微米柱陣列材料包括抹刀狀頂端仿生粘附微米柱陣列、圓弧狀 頂端仿生粘附微米柱陣列、平面狀頂端仿生粘附微米柱陣列和凹陷狀頂端仿生粘附微米 柱陣列。
2.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所述 掩膜板分別為具有實(shí)心圓點(diǎn)陣列圖案的掩膜板和具有空心圓點(diǎn)陣列圖案的掩膜板。
3.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所 述電感耦合等離子體刻蝕參數(shù)為電感耦合等離子體刻蝕(ICP)ICP功率10W，RE功率 750W, SF6 氣流量 70-90sccm，C4F8 氣流量 60_80sccm，時(shí)間 5-10 分鐘。
4.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所述 軟模板分別為具有微米孔陣列結(jié)構(gòu)的“模扳-1”和具有孔底端帶突起點(diǎn)的微米孔陣列 結(jié)構(gòu)的“模板_2”。
5.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所述 抹刀狀頂端仿生粘附微米柱陣列的形成將模板-1放在加熱器上加熱至80°C-120°C，然 后將溶劑性高分子材料溶液覆蓋在模板-1上，再將模板-1從加熱器上取下，冷卻、排除 氣泡，進(jìn)行烘干固化脫模，得到具有抹刀狀頂端結(jié)構(gòu)的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。
6.如權(quán)利要求1或5所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于 所述固化溫度為40°C -60°C,固化時(shí)間8-15小時(shí)。
7.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所 述圓弧狀頂端仿生粘附微米柱陣列的形成將溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模板-ι 上，進(jìn)行烘干固化脫模，得到具有圓弧狀頂端結(jié)構(gòu)的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。
8.如權(quán)利要求1或7所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于 所述固化溫度為40°C -60固化時(shí)間為8-15小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所 述平面狀頂端仿生粘附微米柱陣列的形成將溶劑性高分子材料溶液直接覆蓋在模板-ι 上，在自然環(huán)境下緩慢固化，其固化溫度為15°C-25°C，固化時(shí)間為15-25小時(shí)，得到具 有平面狀頂端結(jié)構(gòu)的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。
10.如權(quán)利要求1所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在于所 述凹陷狀頂端仿生粘附微米柱陣列的形成將溶劑性高分子材料溶液覆蓋在模板-2上， 進(jìn)行烘干固化脫模，得到具有凹陷狀頂端結(jié)構(gòu)的仿生微米結(jié)構(gòu)粘附陣列。
11.如權(quán)利要求1或10所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方法，其特征在 于所說固化溫度為40°C -60固化時(shí)間為8-15小時(shí)。
12.如權(quán)利要求1、5、7、9、10所述一種不同頂端結(jié)構(gòu)的仿生粘附陣列的制備方 法，其特征在于所述溶劑性高分子材料包括水溶性聚氨酯(PU)材料、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的二甲基甲酰胺材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種制備具有不同頂端形貌的仿生粘附微米柱陣列的新方法，頂端結(jié)構(gòu)分別為抹刀狀、圓弧狀、平面狀、凹陷狀，柱直徑為微米級(jí)，具有高縱橫比結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用紫外光刻、電感耦合等離子體刻蝕為主要技術(shù)手段，在硅基片上實(shí)現(xiàn)微米柱陣列；以聚二甲基硅氧烷為復(fù)型材料制備具有微米孔陣列結(jié)構(gòu)的軟模板；在模板中對(duì)溶劑性高分子材料溶液采用不同工藝塑膜、固化，獲得仿生粘附微米柱陣列材料。本發(fā)明獲得的仿生粘附材料在生物醫(yī)學(xué)、精密工業(yè)以及攀爬機(jī)器人等方面都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102012632SQ20101028233
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者梅濤, 王大朋, 趙愛武 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院