仿生创新设计，科学家开辟可持续微加工的新路径！

【科学背景】

微加工是制造微米尺度小型结构的技术，广泛应用于医疗保健和电子等领域，因其潜力巨大而成为当前研究的热点。然而，传统微加工面临着诸如高化学品使用量、能耗和温室气体排放等重大环境挑战。典型的微加工过程包括光刻、沉积和转移，这些步骤大量依赖于刻蚀剂、有机溶剂和氟化气体等危险化学品，导致全球每年消耗近10亿立方米的刻蚀剂，预计年增长率达6.2%。此外，微加工还对非可再生资源材料（如硅基或金属基基底和石油衍生聚合物）依赖严重，加剧了环境负担。能源消耗问题同样突出，仅美国半导体微加工行业每年消耗的工业电力占比约为1.5%。

为了应对这些挑战，芝加哥大学田博之教授课题组提出了一种仿生透过结构方法，旨在推动可持续微加工技术的发展。这一方法通过在生物聚合物基底上采用盐辅助光化学合成，实现了直接图案化器件的创新。利用水作为绿色致动剂，实现了高效的瞬时剥离，极大地减少了能源和危险化学品的消耗。与传统技术相比，这一方法不仅提升了卷对卷生产速度，还显著降低了温室气体排放和环境影响。此外，仿生透过结构策略的应用还为多种器件制造提供了新的可能性，涵盖从生物电子到催化机器人的广泛应用领域。

【科学亮点】

（1）实验首次引入了仿生透过结构方法，通过在生物聚合物基底上采用盐辅助光化学合成，成功实现了碳基器件的可持续微加工。

（2）实验通过构建微触结构和利用水生成的化学机械力，实现了高效的图案化器件剥离过程，剥离时间短于1秒，显著优于传统技术。这一方法不仅提升了卷对卷生产速度，还极大地减少了能源和危险化学品的消耗。

（3）通过采用可持续基底和无危处理方法，本文方法显著降低了器件制造过程中的温室气体排放和环境影响，与传统微加工方法相比具有显著优势。

（4）该方法具有广泛的应用前景，适用于从生物电子器件到催化机器人等多种器件制造过程，为推动环境友好型器件制造提供了新的技术途径。

【科学图文】

图1：仿生透过结构策略用于碳基器件可持续微加工。

图2：盐辅助激光图案化及透过结构瞬时剥离碳器件。

图3：环保多功能器件的可持续制备。

图4：柔性生物电子器件的可持续微加工及转移。

图5：用于机器感知和环境修复的催化器件的可持续微加工。

图6：具有较小环境影响的可扩展微加工。

【科学结论】

本文借鉴自然界精巧的生物结构和功能，特别是透过结构的应用。自然界中许多生物体，如壁虎和蝗虫，通过微小的结构在需要时实现粘附和脱离，这种机制为作者提供了创新的思路。作者将这种生物学原理转化为工程实践，通过仿生应变工程方法设计和优化透过结构，以解决微加工过程中的技术瓶颈。这种方法不仅在提高器件制备效率和质量方面具有显著潜力，还显著减少了能源和化学品消耗，从而减少环境负担。

通过深入理解和模仿自然界的优化解决方案，作者能够开发出更加智能和环保的微加工技术，为电子、医疗和机器人等领域的进步提供新的科学基础和工程应用。这种科学启迪不仅推动了微加工技术的创新，也为可持续发展的路径铺平了道路，为未来的研究和工程实践提供了有益的指导和范例。

原文详情：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-