研究背景
隨著科技領域的快速發展和社會對可持續發展的日益關注，微加工作為一種關鍵的制造技術，對多個領域，從醫療保健到電子技術，都具有重要的轉型潛力。微加工的核心是在微米尺度上制造精細結構，然而，傳統的微加工過程面臨著嚴峻的環境挑戰：高化學品使用量、能源消耗及相關的溫室氣體排放問題日益突出。
微加工過程包括復雜的光刻、沉積和轉移步驟，這些步驟不僅需要大量的刻蝕劑、有機溶劑和氟化氣體等危險化學品，還依賴非可再生資源材料，如硅基或金屬基基底，以及石油衍生聚合物，從而加劇了環境的持續影響。此外，微加工行業對能源的高度依賴，使得半導體微加工業就在美國工業電力使用中占據了約1.5%的比例，這進一步加劇了其全球碳足跡。
為了解決這些問題，芝加哥大學田博之教授課題組Lihua Jin、Chuanwang Yang在“Nature Sustainability”期刊上發表了題為“A bioinspired permeable junction approach for sustainable device microfabrication”的最新文章。他們開始借鑒自然界的生物結構和機制，提出了仿生透過結構方法，旨在實現可持續微加工。自然界中許多生物體，如蝗蟲、壁虎和角質形成細胞，通過復雜的微小連接結構展示了在需時粘附和脫離的行為。
本研究的核心在于開發一種基于仿生透過結構的方法，通過在生物聚合物基底上進行鹽輔助光化學合成，實現直接器件圖案化，并結合氣凝膠和纖維素紙的微觸結構，在水的作用下實現高效可持續的剝離過程。這一創新不僅消除了危險化學品的使用，還顯著減少了能源消耗，使其成為一個適用于各種器件制造的通用平臺。
科學亮點
（1）實驗首次提出了一種仿生透過結構方法，利用鹽輔助光化學過程在生物聚合物基底上直接圖案化器件。這一方法結合了氣凝膠和纖維素紙的微觸結構，利用水生成化學機械力實現了可持續和高效的剝離過程。
（2）實驗通過模擬和實驗驗證，證明了這種方法可以顯著加速器件的剝離速度，并大幅減少了能源消耗和危險化學品的使用。具體而言，采用此方法制備的器件在少于1秒的時間內完成剝離，遠遠超過傳統技術的效率。此外，通過消除對外部刻蝕劑的依賴和減少廢物產生，該方法在生態友好性和可擴展性上具備顯著優勢。
（3）這一研究不僅提升了卷對卷生產速度，還降低了整體制造過程中的溫室氣體排放量，從而為微加工領域的可持續發展開辟了新的途徑。因其廣泛適用于生物電子和機器人技術等多種領域，預示著在未來的各類器件應用中具有重要的實際應用前景。
圖文解讀
圖1：仿生透過結構策略用于碳基器件可持續微加工。
圖2：鹽輔助激光圖案化及透過結構瞬時剝離碳器件。
圖3：環保多功能器件的可持續制備。
圖4：柔性生物電子器件的可持續微加工及轉移。
圖5：用于機器感知和環境修復的催化器件的可持續微加工。
圖6：具有較小環境影響的可擴展微加工。
結論展望
本文的科學思想源于生物系統中精密的透過結構，如昆蟲的外骨骼脫落機制和壁虎的微觸結構，它們通過復雜的生物力學和生物化學機制實現了粘附和剝離的精準控制。仿生學將這些自然現象轉化為工程設計的靈感源泉，探索如何在微加工領域中借鑒這些智慧。在這一框架下，作者利用鹽輔助光化學合成和納米纖維素纖維構建了新型的透過結構，模擬自然界的效率和可持續性。
這種方法不僅通過水作為綠色致動劑實現了迅速的剝離，還消除了傳統微加工中常見的危險化學品使用，大幅降低了能源消耗。作者的研究揭示了生物系統如何優雅地解決粘附和釋放的矛盾，并將其轉化為創新的微加工技術。通過結合仿生透過結構的設計原則和現代工程手段，作者為未來的環境友好型微加工奠定了堅實的基礎，為各種應用領域提供了可持續發展的路徑。
原文詳情：
Yang, C., Li, P., Wei, C. et al. A bioinspired permeable junction approach for sustainable device microfabrication. Nat Sustain (2024). https://doi.org/10.1038/s41893-024-01389-5
