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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten
Oberfläche,
die eine Vielzahl von fadenförmigen
Vorsprüngen
aufweist, und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.
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Es
ist bekannt, dass Grenzflächeneigenschaften,
optische Eigenschaften oder elektrische Eigenschaften von Oberflächen durch
eine Oberflächenstrukturierung
modifiziert werden können.
Dabei sind in der Praxis insbesondere Strukturen mit typischen Dimensionen
im μm- bis
nm-Bereich, z. B. auf Oberflächen
von elektronischen oder optischen Bauelementen, Sensoren und dgl.
von Interesse. Beispielsweise werden von Z. Yoshimitsu et al. ("Langmuir" Bd. 18, 2002, S.
5818–5812)
mikrostrukturierte Oberflächen
beschrieben, mit denen eine Flüssigkeitsbenetzung
unterdrückt
werden kann. Mit einer Anordnung von Säulen mit einer Dicke von 50 μm und einer
Höhe von
148 μm auf
einer Oberfläche kann
für Wassertropfen
ein Kontaktwinkel oberhalb von 150° erreicht werden. Des Weiteren
ist bekannt, durch eine Strukturierung ein gegenseitiges Anhaften von
sich berührenden
Oberflächen
zu erreichen (siehe
US
6 737 160 B1 oder Spolenok, R. et al. in "Acta Biomat." Bd. 1, 2005, S.
5–13,
DE 102 23 234 A1 Auch
der so genannte Lotuseffekt (siehe z. B.
EP 1 171 529 B1 ) wird mit
der Zusammenwirkung der chemischen Zusammensetzung einer Oberfläche mit
deren Mikrostrukturierung erklärt.
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Die
Wirkungen von Oberflächenstrukturen wurden
bisher meist im Rahmen von Experimenten im Laboratorium beschrieben.
Eine routinemäßige Anwendung
in der Praxis ist bisher jedoch nur beschränkt möglich. So hat die Erzeugung
einer strukturierten Oberfläche
mit einer Massenanordnung von fadenförmigen Vorsprüngen mit
photolithographischen Techniken oder Ätzverfahren die folgenden Nachteile.
Erstens sind die Verfahren mit einem hohen technischen Aufwand verbunden.
Die Strukturierung ausgedehnter Oberflächen würde zu extrem hohen Kosten
führen.
Des Weiteren können
mit den genannten Techniken Vorsprünge mit typischen Dimensionen
im Nanometerbereich (< 1 μm) typischerweise nur
geringe Aspektverhältnisse
(Verhältnis
Länge Durchmesser
der Vorsprünge)
unterhalb von 20 erreicht werden. Für zahlreiche Anwendungen ist
jedoch ein Aspektverhältnis
von bis zu 100 oder darüber
erwünscht.
Schließlich
bieten die Photolithographie und die Ätzverfahren nur eine beschränkte Variabilität bei der
Einstellung einer bestimmten Orientierung oder Form der Oberflächenstrukturen,
wie es z. B. für
den genannten Anhaftungseffekt von Interesse ist. Des Weiteren können mit
den herkömmlichen Techniken
nur beschränkt
Vorsprünge
mit Substrukturen, wie z. B. Dickengradienten, oder vorbestimmten
Materialzusammensetzungen hergestellt werden.
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In
DE 103 53 697 A1 wird
ein Gießverfahren zur
Herstellung einer strukturierten Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polymermaterialien beschrieben.
Mit diesem Verfahren wird zwar eine Erhöhung des Aspektverhältnisses
erzielt. Nachteilig sind jedoch der hohe technische Aufwand des
Verfahrens und die Beschränkung
auf Erhebungen mit einer geraden Form.
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In
DE 10 2005 025 636
A1 wird die Herstellung eines Kunststoffgegenstands mit
einer feinen Oberflächenstruktur
mittels eines Gießverfahrens
beschrieben, bei dem eine Monomerlösung in eine Gießform eingespritzt
und anschließend
polymerisiert wird. Die Herstellung einer einseitig strukturierten
Folie aus thermoplastischem Kunststoff unter Verwendung eines Prägeverfahrens
ist in
DE 1 172 030
B beschrieben. Anwendungen adhäsiver Mikrostrukturen sind
in
GB 2 223 452 A und
in
US 6 737 160 B1 beschrieben.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung
einer strukturierten Oberfläche
bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
soll mit geringen Kosten selbst bei ausgedehnten Oberflächen realisierbar sein
und einen erweiterten Anwendungsbereich haben. Es soll insbesondere
eine hohe Variabilität
bei der Einstellung von geometrischen, elektrischen, optischen und/oder
mechanischen Eigenschaften der Oberflächenstruktur und insbesondere
Strukturen mit einem vergrößerten Aspektverhältnis ermöglichen. Die
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Bauteil mit
einer strukturierten Oberfläche
bereitzustellen, das mit verringertem technischen Aufwand und verringerten
Kosten herstellbar ist und eine hohe Variabilität bei der Einstellung von physikalischen oder
chemischen Eigenschaften der Oberfläche ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren oder ein Bauteil mit den Merkmalen
der Patentansprüche
1 und 24 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Verfahrensbezogen
basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine
Oberfläche mit
fadenförmigen
Vorsprüngen
bereitzustellen, indem eine fließfähige Substanz zwischen einer
Stempelfläche
und einer Musterfläche
ausgezogen und die dabei gebildeten Fadenverbindungen unterbrochen
werden. Die Musterfläche
trägt ein
vorbestimmtes geometrisches Muster von Oberflächenmodifizierungen chemischen
oder topographischen Typs. Das Muster bildet die Vorlage der zu
erzeugenden fadenförmigen
Vorsprünge.
Die Stempelfläche
hat eine geometrisch unstrukturierte Oberfläche. Die Musterfläche und
die Stempelfläche
weisen zueinander passende Formen derart auf, dass sich beide Flächen bei
gegenseitiger Annäherung
zumindest in Teilbereichen berühren,
die eine flächige
oder linienförmige Ausdehnung
haben können.
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Durch
eine gegenseitige Berührung
der Musterfläche
und der Stempelfläche
benetzt die fließfähige Substanz,
die in oder auf einer oder beiden der Stempel- und Musterflächen vorgese hen
ist, die jeweils andere Fläche.
Wenn sich die Musterfläche
und die Stempelfläche
relativ zueinander bewegen, so dass beide Flächen voneinander getrennt werden, werden
die Fadenverbindungen als freitragende Flüssigkeitsbrücken aufgespannt. Die Oberflächenform
der Fadenverbindungen wird insbesondere durch die Viskosität der Substanz
und die Oberflächenspannung
der Substanz im aufgespannten Zustand bestimmt.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung wird die Stempelfläche
durch eine freie Oberfläche
(Fluidfläche)
der fließfähigen Substanz gebildet,
aus der mit der Musterfläche
die Fadenverbindungen gezogen werden, wobei während oder nach dem Ziehen
eine Aushärtung
der fließfähigen Substanz
vorgesehen ist. Nach einer Trennung der Musterfläche und der Fluidfläche mit
einer Unterbrechung der Fadenverbindungen bleiben auf der Fluidfläche, der
Musterfläche
oder beiden Flächen
die gewünschten
fadenförmigen
Vorsprünge
bestehen.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung wird die Stempelfläche
durch eine Oberfläche
eines Festkörpers
(Festkörperfläche) gebildet, während die
Musterfläche
die fließfähige Substanz trägt. Die
fließfähige Substanz
ist auf der Musterfläche
an den voneinander getrennten Teilbereichen (Inseln) mit einer bestimmten
geometrischen Verteilung angeordnet, welche die Vorlage für die Anordnung
der fadenförmigen
Vorsprünge
bildet. Bei der Berührung
der Festkörperfläche und
der Musterfläche
haftet die fließfähige Substanz
an der Festkörperfläche an,
so dass bei der nachfolgenden Trennbewegung beider Flächen zunächst die
Fadenverbindungen aufgespannt und bei deren Unterbrechung die fadenförmigen Vorsprünge auf
einer der Festkörper-
und Musterflächen
gebildet werden. Die zweite Ausführungsform
der Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass auf die Bereitstellung
eines Reservoirs der fließfähigen Substanz
verzichtet werden kann.
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Vorteilhafterweise
können
alle fadenförmigen
Vorsprünge
während
des Rückzugs
der Musterfläche
und der Unterbrechung der Fadenverbindungen gleichzeitig hergestellt
werden. Dieses Verfahren ist erheblich einfacher als die herkömmlichen
Strukturierungstechniken und problemlos sogar bei ausgedehnten Flächen im
dm2- bis m2-Bereich
oder darüber
anwendbar. Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass die fadenförmigen
Vorsprünge
mit einem extrem hohen Längen-Durchmesser-Aspektverhältnis herstellbar sind.
Bei ausreichend hoher Viskosität
können
die Fadenverbindungen zwischen der Fluidfläche und der Musterfläche eine
Länge aufweisen,
die z. B. 500-fach höher
als der Durchmesser der Fadenverbindung ist.
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Vorrichtungsbezogen
wird die oben genannte Aufgabe entsprechend durch die allgemeine
technische Lehre gelöst,
ein Bauteil bereitzustellen, das eine Basisfläche mit einer Vielzahl von
fadenförmigen
Vorsprüngen
aus einer fließfähigen, härtbaren Substanz
aufweist, wobei die fadenförmigen
Vorsprünge
eine durch die Oberflächenspannung
der Substanz im fließfähigen Zustand
gebildete Kontur (Oberflächenform)
aufweisen. Die Kontur der fadenförmigen
Vorsprünge
entspricht wenigstens abschnittsweise oder lokal einer Form, welche
die Substanz im fließfähigen, frei
zwischen zwei Oberflächen aufgespannten
Zustand einnimmt.
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Mit
der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Massenanordnung
von fadenförmigen Vorsprüngen auf
einer Oberfläche
bereitgestellt. Mit dem Begriff "fadenförmiger Vorsprung" wird hier ein längliches
Gebilde bezeichnet, das sich von einer Basisfläche zu einem freien Ende erhebt.
Das Gebilde hat allgemein eine Säulen-,
Faden-, Nadel-, Stab- oder Haarform. Die fadenförmigen Vorsprünge bilden Strukturen
mit einer Länge
im Bereich von einigen 10 Nanometern (z. B. 100 nm) bis zu einigen
Zentimetern (z. B. 3 cm) und einem Durchmesser von wenigen Nanometern
(z. B. 10 nm) bis zu einigen Millimetern (z. B. 5 mm). Mit dem Begriff "fließfähige Substanz" werden hier alle
flüssigen
Materialien bezeichnet, die sich fadenförmig zwischen zwei Körpern ziehen
und aufspannen lassen und im aufgespannten Zustand ihre Form erhalten.
Die Fließfähigkeit
ist insbesondere bei der Betriebstemperatur gegeben, bei der das
erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt wird.
Eine "strukturierte
Oberfläche" ist ein Flächenbereich
eines Gegenstandes, der eine Vielzahl der fadenförmigen Vorsprünge trägt.
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Vorteilhafterweise
werden an die Musterfläche
zum Ziehen der Fadenverbindungen, abgesehen von der Kongruenz zur
Fluidfläche,
keine besonderen Anforderungen gestellt. Wenn die Musterfläche zum
Beispiel eine glatte Oberfläche
aufweist, kann die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge zufällig oder
durch Selbstorganisation erfolgen. Für eine verbesserte Kontrolle
der Positionierung der fadenförmigen
Vorsprünge
sind jedoch Ausführungsformen
der Erfindung bevorzugt, bei denen die Anordnung der Fadenverbindungen
und der fadenförmigen Vorsprünge durch
ein Muster von Adhäsionsinseln (erste
Ausführungsform
der Erfindung) und/oder Inseln der fließfähigen Substanz (zweite Ausführungsform
der Erfindung) bestimmt wird, die auf der Musterfläche vorgesehen
sind. Mit dem Begriff "Adhäsionsinsel" wird hier jeder
lokal abgegrenzte Bereich auf der Musterfläche bezeichnet, dessen Benetzbarkeit
für die
fließfähige Substanz
im Vergleich zur übrigen
Musterfläche
erhöht
ist oder an dem eine bevorzugte Benetzung durch die fließfähige Substanz
gegeben ist. Vorteilhafterweise werden bei der Berührung der
Fluidfläche
und der Musterfläche
zwischen der Substanz und den Adhäsionsinseln Adhäsionskontakte
gebildet. Die fließfähige Substanz
haftet an den Adhä sionsinseln
bevorzugt an, während
die Musterfläche
zwischen den Adhäsionsinseln
ein vermindertes Haftvermögen
aufweist. Vorteilhafterweise werden die Fadenverbindungen bei der
Trennung der Fluidfläche
und der Musterfläche
an den Adhäsionsinseln
lokalisiert, so dass die geometrische Verteilung der Fadenverbindungen
und nach deren Durchbrechung auch die geometrische Verteilung der
fadenförmigen
Vorsprünge
durch das Muster der Adhäsionsinseln
auf der Musterfläche
vorgegeben wird.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung
einer Musterfläche mit
einem bestimmten Muster der Adhäsionsinseln oder
Inseln der fließfähigen Substanz
die Anordnung der fadenförmigen
Vorsprünge
genau festgelegt werden kann. In Abhängigkeit von der Funktion der
strukturierten Oberfläche
oder des erfindungsgemäßen Bauteils
können
die fadenförmigen
Vorsprünge
z. B. mit einem regelmäßigen, z.
B. quadratischen Gittermuster angeordnet werden. Alternativ kann
sich die Dichte der Adhäsionsinseln
oder Inseln der fließfähigen Substanz
und damit die Dichte der fadenförmigen
Vorsprünge
entlang der Musterfläche ändern, so dass
die strukturierte Oberfläche
mit einem Flächendichtegradienten
der fadenförmigen
Vorsprünge
hergestellt werden kann. Die Bereitstellung der Adhäsionsinseln
oder der Inseln der fließfähigen Substanz bedeutet
eine Vorstrukturierung, mit der die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge auf
der Basisfläche
kontrolliert wird. Die Vorstrukturierung ist vorteilhafterweise
einfach und kostengünstig
großflächig realisierbar.
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Ein
weiterer Vorteil der ersten Ausführungsform
der Erfindung besteht in der hohen Variabilität bei der Gestaltung der Adhäsionsinseln.
Allgemein kann sich eine Adhäsionsinsel
durch ihre Topographie und/oder ihre chemische Zusammensetzung von
der unmittelbaren Umgebung unterscheiden. Wenn gemäß der ers ten
Variante die Adhäsionsinseln
durch eine topographische Struktur der Musterfläche gebildet werden, ergeben
sich Vorteile in Bezug auf die definierte Abgrenzung und gegenseitige Ausrichtung
der Adhäsionsinseln.
Die topographische Struktur umfasst vorzugsweise lokale Erhebungen
der Musterfläche,
welche bei der gegenseitigen Annäherung
der Fluidfläche
und der Musterfläche
die fließfähige Substanz
zuerst berühren.
In diesem Fall ergeben sich Vorteile in Bezug auf die ausschließliche Benetzung
der Adhäsionsinseln.
Die Erhebungen werden vorzugsweise durch eine lokale Stufenbildung,
wie z. B. durch Partikel oder Schichten auf der Musterfläche gebildet.
Alternativ kann die topographische Struktur durch einen fadenförmigen Vorsprung
oder einen Teil von diesem gebildet sein, der gemäß der Erfindung
in einem Vorbereitungsprozess auf der Musterfläche erzeugt wurde. Die topographische
Struktur umfasst alternativ lokale Vertiefungen der Musterfläche, z.
B. in Form von Kavitäten,
welche bei der Berührung
der Fluidfläche
und der Musterfläche
die fließfähige Substanz
aufnehmen.
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Wenn
gemäß der zweiten
Variante die Adhäsionsinseln
chemisch modifizierte Bereiche der Musterfläche umfassen, können sich
Vorteile für
eine Verbesserung des Adhäsionskontakts
zwischen der Substanz und der Musterfläche ergeben. Die chemisch modifizierten
Bereiche können
speziell an die Substanz, aus der die fadenförmigen Vorsprünge hergestellt
werden, angepasst sein, um eine gute lokale Anhaftung zu erreichen.
Substanzen zur Bereitstellung chemisch modifizierter Adhäsionsinseln
sind vorzugsweise die Materialien der zu ziehenden Vorsprünge oder
Materialien, die aufgrund ihrer Polarität oder Apolarität eine Bindung
mit dem Material der zu ziehenden Vorsprünge eingehen. Im ersten Fall
umfassen die Adhäsionsinseln
die fließfähige Substanz. Beispiele
für die
zweite Alternative sind Y-(COOH)x, Y-(NH)x-NH2, Y-(CH2)x, Methylmethacrylate,
Y- OH, und Metalle,
wie z. B. Gold und Silber (Y: funktioneller chemischer Baustein,
der sich mit dem Material der Musterfläche verbindet, z. B. Thiole
mit einer OH-Gruppe zur Anbindung auf Au oder Silangruppen zur reaktiven
Bildung einer Esterverbindung mit einer Glasoberfläche).
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Gemäß einer
weiteren Variante können
die Adhäsionsinseln
durch eine topographische Struktur gebildet sein, die an den Erhebungen
oder Abstufungen eine chemische Modifizierung aufweisen. Die Bereitstellung
einer chemisch modifizierten, topographischen Struktur hat den besonderen
Vorteil einer erhöhten
Flexibilität
bei der Wahl der beteiligten Materialien, insbesondere einerseits
des Materials der Musterfläche
und andererseits der fließfähigen Substanz.
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Die
Adhäsionsinseln
bilden die Grundflächen der
Fadenverbindungen auf der Seite der Musterfläche. Vorteilhafterweise kann
dadurch in Abhängigkeit von
der Form der Adhäsionsinseln
den Fadenverbindungen und den fadenförmigen Vorsprüngen eine bestimmte
Querschnittsform aufgeprägt
werden. Beispielsweise können
kreisrunde Adhäsionsinseln
verwendet werden, um fadenförmige
Vorsprünge
mit einer kreisrunden Querschnittsfläche zu erzeugen. Für die Bereitstellung
einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge, z.
B. der Young'schen
Module der fadenförmigen
Vorsprünge
können
alternativ z. B. elliptische oder eckige Adhäsionsinseln verwendet werden.
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Die
zweite Ausführungsform
der Erfindung liefert vorteilhafterweise ein strukturiertes Bauteil,
bei dem die fadenförmigen
Vorsprünge
ohne eine zusätzliche
topographische und/oder chemische Modifizierung unmittelbar mit
der Muster- oder Stempelfläche
verbunden sind. Dabei können
vorteilhafterweise die folgenden verschiedenen Varianten realisiert
werden. Gemäß einer
ersten Variante sind die Inseln der fließfähigen Substanz mit der Musterfläche fest
verbunden. Die fließfähige Substanz
und das Material der Musterfläche
sind zueinander chemisch kompatibel, d. h. insbesondere im geschmolzenen
Zustand mischbar und/oder geeignet, chemische Verbindungen, z. B.
durch Additionsreaktionen einzugehen. Zwischen der fließfähigen Substanz
und der Musterfläche
ist vorzugsweise eine chemische Verbindung, z. B. durch thermische
oder photochemische, radikalische Ankopplung (z. B. über Acrylatgruppen)
oder durch partielles Anlösen
der fließfähigen Substanz und
des Materials der Musterfläche
(z. B. durch Lösungsmitteldämpfe) gegeben.
Besondere Vorteile für eine
zuverlässige
Verbindung ergeben sich, wenn die fließfähige Substanz und das Material
der Musterfläche
die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Beim Ausziehen
der Inseln der fließfähigen Substanz
nach der Berührung
der Muster- und Stempelflächen
und der anschließenden
Trennungsbewegung werden die fadenförmigen Vorsprünge auf
der Musterfläche
gebildet. Bei der zweiten Variante werden die fadenförmigen Vorsprünge auf
der Festkörperfläche gebildet,
indem bei der Berührung
der Festkörper-
und Musterflächen
eine chemische Verbindung zwischen der fließfähigen Substanz und der Festkörperfläche erzeugt
wird. In diesem Fall müssen
die Inseln der fließfähigen Substanz
mit der Musterfläche
lediglich eine adhärente
Verbindung eingehen. Eine chemische Verbindung ist nicht erforderlich.
Bei der zweiten Variante ist entsprechend vorzugsweise die chemische
Zusammensetzung der fließfähigen Substanz
und des Materials der Festkörperfläche identisch.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
der Erfindung werden die Inseln der fließfähigen Substanz vorzugsweise
durch kolloide Polymerpartikel gebildet. Diese haben besondere Vorteile
bei der Positionierung der fließfähigen Substanz
auf der Musterfläche
und der Einstellung des Fließverhaltens,
z. B. in Ab hängigkeit
von einer Betriebstemperatur. Die Polymerpartikel bestehen vorzugsweise
aus schmelzbaren Polymeren, wie z. B. Polystyrol oder Polyacrylaten.
Für die
Erzeugung von Feinstrukturen werden vorzugsweise Partikel mit einem
Durchmesser im Bereich von 50 nm bis 20 μm, insbesondere 100 nm bis 10 μm verwendet.
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Gemäß der Erfindung
ist eine Aushärtung der
fließfähigen Substanz
bei der Herstellung der fadenförmigen
Vorsprünge
vorgesehen. Mit dem Begriff "Aushärtung" wird hier eine Verfestigung
der Substanz bezeichnet, bis diese formstabil ist. Vorteilhafterweise
kann nach der Aushärtung
auf eine zusätzliche
Stabilisierung der Vorsprünge
z. B. durch eine Deckschicht verzichtet werden. Die Aushärtung erfolgt
gemäß einer
ersten Variante während
des Aufspannens der Fadenverbindungen. Vorteilhafterweise wird in
diesem Fall das Ziehen der Fadenverbindung automatisch durch einen
Abriss der Fadenverbindung beendet, sobald die Substanz ausreichend
ausgehärtet
ist. Gemäß einer
zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass die Aushärtung der
Substanz erst nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen vorgesehen
ist. In diesem Fall können
sich Vorteile in Bezug auf die Reproduzierbarkeit bei der Einstellung
der Länge
der fadenförmigen
Vorsprünge ergeben.
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Vorteilhafterweise
können
verschiedene Aushärtungsprozesse
einzeln oder in Kombination angewendet werden. Beim Verdampfen eines
Lösungsmittels
aus der Substanz der Fadenverbindung erfolgt die Aushärtung vorteilhafterweise
ohne zusätzliche
Maßnahmen.
Des Weiteren kann eine Verfestigung der Substanz durch eine Abkühlung oder eine
Vernetzung der Substanz vorgesehen sein. Die Vernetzung umfasst
eine Veränderung
der inneren Struktur der Fadenverbindung durch eine chemische oder
physikalische Einwirkung, wie z. B. eine Reaktion zwischen verschiedenen
Komponenten der fließfähigen Substanz,
die durch eine Bestrahlung ausgelöst wird.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung bildet die Musterfläche, die
mit den Adhäsionsinseln
und/oder den Inseln der fließfähigen Substanz
ausgestattet ist, ein Basiselement, von dem die fadenförmigen Vorsprünge hervorragen. Vorteilhafterweise
wird damit ein stabiles Bauteil geschaffen, das unmittelbar für die weitere
Anwendung benutzt werden kann.
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Alternativ
sind die fadenförmigen
Vorsprünge
auf der Fluidfläche
der fließfähigen Substanz
vorgesehen. In diesem Fall umfasst die Aushärtung der Substanz nicht nur
eine Stabilisierung der fadenförmigen
Vorsprünge,
sondern auch eine Umwandlung der Fluidfläche in eine feste Schicht,
welche bei dieser Ausführungsform
das Basiselement für
die fadenförmigen
Vorsprünge
bildet. Vorteilhafterweise bestehen dabei das Basiselement und die
fadenförmigen Vorsprünge aus
dem selben Material.
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Gemäß einer
weiteren Modifizierung der Erfindung kann während der Aushärtung der
Substanz, insbesondere nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen
eine Formung der fadenförmigen
Vorsprünge
in Abhängigkeit
von einer äußeren, physikalischen
oder chemischen Einwirkung vorgesehen sein. Beispielsweise können als
fließfähige Substanz Polymere
mit einer temperatur- oder pH-Wert-abhängigen Oberflächenspannung
oder spezifischen dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften
verwendet werden. In diesem Fall können die fadenförmigen Vorsprünge z. B.
durch eine Temperierung oder die Bereitstellung eines bestimmten
pH-Werts in der Umgebung oder elektrische und/oder magnetische Felder
insbesondere während
der Aushärtung deformiert
werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Flexibilität bei der
Auswahl einer Form der fadenförmigen
Vorsprünge.
In Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung der erfindungsgemäß strukturierten
Oberfläche
können
beispielsweise gerade oder gekrümmte
fadenförmige
Vorsprünge
gebildet werden. Wenn gemäß der ersten
Variante die Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche entlang
einer geraden Bezugslinie erfolgt, werden die Fadenverbindungen
entsprechend gerade aufgespannt. Sie können beispielsweise senkrecht oder
geneigt relativ zu den angrenzenden Flächen, z. B. der Fluidfläche oder
der Musterfläche
sein. Die geraden fadenförmigen
Vorsprünge
können
während des
Ziehens oder danach ausgehärtet
werden. Für die
zweite Variante erfolgt die Trennungsbewegung der Fluidfläche und
der Musterfläche
entlang einer geraden, schiefwinkeligen oder einer gekrümmten Bezugslinie,
so dass gebogene, gewinkelte oder sogar verdrillte Vorsprünge erzeugt
werden. In diesem Fall erfolgt die Aushärtung während des Ziehens der Fadenverbindungen.
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Wenn
gemäß einer
weiteren Modifizierung der Erfindung eine Variation der Geschwindigkeit
des Aufspannens der Fadenverbindungen vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise
ein zusätzlicher
Dickengradient entlang der Länge
der fadenförmigen
Vorsprünge
erzeugt werden. Wenn die Geschwindigkeit der Trennungsbewegung der
Fluidfläche
und der Musterfläche
zunächst
gering ist, so weisen die Fadenverbindungen zunächst eine größere Dicke
auf, als zu einem späteren
Zeitpunkt mit einer höheren Geschwindigkeit
der Trennungsbewegung.
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Die
fließfähige Substanz
enthält
gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung wenigstens eine Polymerverbindung,
wie z. B. mindestens ein organisches Polymer oder mindestens ein
organisch/anorganisch zusammengesetztes Polymer. Die Verwen dung
von mindestens einer Polymerverbindung hat den Vorteil einer besonders
einfachen Steuerung der Aushärtung
durch Lösungsmittelentzug oder
Temperierung. Bevorzugt verwendete Polymere sind Polydimethylsiloxan
(PDMS) (mit Zusatzkomponente aushärtbar), Polyvinylpyridin, Polystyrol,
Polyphosphazene und Polyethylenglykol. Alternativ enthält die fließfähige Substanz
mindestens einen Typ vernetzbarer Monomere (mit ungesättigten
Kohlenstoffbindungen), wie z. B. Acrylate, Metacrylate, Alkene,
Nitrile und andere Monomergemische aus zwei Komponenten zu einer
Polyaddition, Polykondensation o. dgl.
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Wenn
gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung die fließfähige Substanz mindestens eine
Zusatzsubstanz enthält,
mit der wenigstens eine der chemischen, dielektrischen, optischen
und magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge modifizierbar
sind, ergeben sich besondere Vorteile für die Einstellung einer bestimmten
Form der Vorsprünge
während
der Erzeugung der strukturierten Oberfläche oder bei der Anwendung
der strukturierten Oberfläche.
Erfindungsgemäß können dynamische,
durch externe Einwirkungen schaltbare Oberflächenstrukturen bereitgestellt
werden. Als Zusatzsubstanz enthalten die fadenförmigen Vorsprünge z. B.
magnetische Kolloide oder Kolloide mit besonderen dielektrischen
Eigenschaften. Des Weiteren kann z. B. Polyvinylpyridin als Zusatzsubstanz
verwendet werden, das in wässerig-saurer
Lösung
quillt, während
es sich in einem neutralen Medium zusammenzieht.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung kann eine Spitzenbehandlung der
fadenförmigen
Vorsprünge
vorgesehen sein. Die Spitzenbehandlung umfasst eine Erzeugung von
Verdickungen an den freien Enden der fadenförmigen Vorsprünge. Die
Spitzenbehandlung ist nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen
vorgesehen. Die Spitzenbehandlung umfasst beispielsweise ein lokales
Erwärmen
der freien Enden der fadenförmigen
Vor sprünge,
so dass sich an diesen kugelförmige
Verdickungen bilden. Gemäß einer
weiteren Variante ist eine Beschichtung der fadenförmigen Vorsprünge, z.
B. durch eine Vakuumbedampfung, vorgesehen. Schließlich können die
fadenförmigen
Vorsprünge gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung in eine Deckschicht eingebettet
werden. In diesem Fall kann bei geeigneter Substanzwahl auf eine
Aushärtung der
fadenförmigen
Vorsprünge
verzichtet werden.
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Bevorzugte
Anwendungen erfindungsgemäß strukturierter
Oberflächen
bestehen bei der Bildung haftender Oberflächen und bei der Gasspeicherung. Die
Gasspeicherung wird durch die dynamisch-mechanischen Eigenschaften
der fadenförmigen
Vorsprünge
ermöglicht.
Durch eine Deformation der Vorsprünge kann der Druck einer äußeren Flüssigkeit ausgeglichen
und damit eine Benetzung verändert werden,
so dass an erfindungsgemäß strukturierten Oberflächen Gase
unter Flüssigkeitsschichten
gespeichert werden können.
Dieser Effekt ist als Plastron-Effekt
aus der Natur bekannt und wurde z. B. an bestimmten Unterwassertieren
beobachtet (siehe z. B. D. J. Crisp in "Discussions of the Faraday Society London" Bd. 3, 1948, S.
210–220).
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine
schematische Illustration der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche;
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2 eine
schematische Illustration der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche;
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3 bis 7 verschiedene
Varianten von erfindungsgemäßen Bauteilen
mit strukturierten Oberflächen;
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8 eine
schematische Illustration einer Apparatur zur Herstellung einer
strukturierten Oberfläche
gemäß der Erfindung;
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9 eine
schematische Illustration der Erzeugung eines fadenförmigen Vorsprungs
mit einer Krümmung;
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10 eine
schematische Illustration einer schaltbaren Oberflächenstruktur
gemäß der Erfindung;
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11 verschiedene
Varianten erfindungsgemäß verwendeter
Adhäsionsinseln;
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12 bis 14 photographische
Darstellungen erfindungsgemäß hergestellter
Oberflächenstrukturen;
und
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15 eine
schematische Illustration einer weiteren Apparatur zur Herstellung
einer strukturierten Oberfläche
gemäß der Erfindung.
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Die
Figuren zeigen schematische, vergrößerte Illustrationen, die nicht
maßstabsgerecht
sind. Es wird insbesondere in den 1 und 2 die Herstellung
einer Reihe von nur drei Vorsprüngen
gezeigt, während
in der Praxis linien- oder flächenförmige Anordnungen
von fadenförmigen
Vorsprüngen
mit einer erheblich höheren
Anzahl hergestellt werden. Des Weiteren können die Vorsprünge in der
Praxis eine andere Form aufweisen, bei der insbesondere an der Basis
der Vorsprünge über eine
geringe Länge eine
Verjüngung
gegeben ist, während über die übrige Länge der
Durchmesser der Vorsprünge
im Wesentlichen konstant ist.
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Die 1A bis 1D illustrieren
die Erzeugung einer strukturierten Oberfläche 10 mit einer Vielzahl
von fadenförmigen
Vorsprüngen 11 gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. 1A zeigt einen Vorbereitungsschritt,
bei dem eine fließfähige Substanz 20 und
eine Zieheinrichtung 30 mit einer Musterfläche 31.1 bereitgestellt
und relativ zueinander ausgerichtet werden. Die Substanz 20 befindet sich
mit einer freien Fluidfläche 21.1 z.
B. in einem Gefäß. Die Zieheinrichtung 30 (1A)
umfasst eine Antriebseinrichtung und eine Temperiereinrichtung (nicht
dargestellt, siehe 6), mit denen die Musterfläche 31.1 beweglich
und temperierbar ist. Die Musterfläche 31.1 weist zur
Fluidfläche 21.1.
Beide Flächen
sind eben und parallel zueinander ausgerichtet, die Musterfläche 31.1 trägt Adhäsionsinseln 32,
die als Templat für
die Bildung der fadenförmigen
Vorsprünge 11 dienen.
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Die
Musterfläche 31.1 umfasst
z. B. ein plattenförmiges
Substrat aus einer organischen Substanz oder einer anorganischen
Substanz (z. B. Kunststoffe, insbesondere PDMS, Polystyrol, Epoxy, PMMA,
Acrylat, Keramik, Metall, Halbleiter, insbesondere Au, Ag, TiO2, ZnO2, Si, SiO2, Kohlenstoff-basierte oder – verstärkte Verbundmaterialien).
Die Adhäsionsinseln 31.1 umfassen
z. B. Partikel mit einem Durchmesser von 4 nm, z. B. aus Gold (so
genannte Gold-Nanopunkte), bis in den μm-Bereich (z. B. 100 μm), z. B.
aus Kolloiden aus Polystyrol, SiO2, TiO2. Die Adhäsionsinseln 31.1 können durch
einen Prozess der Selbstorganisation auf der Oberfläche gebildet
sein, z. B. aus Polymeren aus photolitographisch hergestellten und/oder
mit Stempeln aufgetragenen Substanzen.
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In
dem Zustand gemäß 1A kann
die fließfähige Substanz
zunächst
noch fest sein. In diesem Fall umfasst der Vorbereitungsschritt
eine Erwärmung
der Substanz 20 mit einer Heizeinrichtung (nicht dargestellt,
siehe 6) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelz- oder
Erweichungstemperatur der Substanz 20.
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Abweichend
von der Illustration gemäß 1 kann
vorgesehen sein, dass das Gefäß oder der
Träger
mit der fließfähigen Substanz 20 mit
einer Zieheinrichtung verbunden ist, um eine Positionierung und
Bewegung der Fluidfläche 21.1 relativ
zur Musterfläche 31.1 auszuführen.
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Die
fließfähige Substanz 20 befindet
sich in einem Gefäß, z. B.
einer Schale, oder als dünne Schicht
auf einem Träger,
z. B. aus Glas oder einer Polymerfolie. Es wird beispielsweise Polyvinylpyridin (PVP)
(MW = 60.000 g/mol) mit einer Konzentration von
rd. 20 Gew.-% in Ethanol gelöst.
Die PVP-Lösung wird
als dünne
Schicht auf eine Glasoberfläche aufgebracht
und getrocknet. Anschließend
wird die getrocknete PVP-Schicht erwärmt, um das Polymer zu erweichen.
Beispielsweise wird PVP auf rd. 60 bis 140° C erwärmt.
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Die
Musterfläche 31.1 wird
gemäß 1B an
die Fluidfläche 21.1 angenähert, bis
die Adhäsionsinseln 32 wenigstens
eines Teils der Musterfläche 31.1 die
Substanz 20 berühren.
Eine Gruppe von Adhäsionsinseln 32 berühren die
Fluidfläche 21.1 gleichzeitig.
Diese Gruppe kann z. B. alle Adhäsionsinseln 32 der
Musterfläche 31.1 oder
bei Anwendung einer gekrümmten
Musterfläche 31.1,
zum Beispiel auf einer Walze (siehe 14), eine
oder mehrere Reihen von Adhäsionsinseln 32 umfassen.
Da die Dicke der Adhäsionsinseln 32 z.
B. 10 nm beträgt,
kann die Musterfläche 31.1 die
Fluidfläche 21.1 so
berühren,
dass nur die Adhäsionsinseln 32 von
der Substanz 20 benetzt werden. Alternativ kann die Musterfläche 31.1 die
Fluidfläche 21.1 jedoch
auch komplett berühren
oder sogar eintauchen, da die Substanz 20 an den Adhäsionsinseln 32 besser
haftet als in den dazwischen liegenden Bereichen.
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Anschließend erfolgt
gemäß 1C eine Trennungsbewegung
der Fluidfläche 21.1 und
der Musterfläche 31.1 relativ
zueinander. In der Regel wird die Musterfläche 31.1 zurückgezogen,
alternativ oder zusätzlich
kann auch die Fluidfläche 21.1 bewegt
werden (siehe Pfeile). Die Bewegung erfolgt beispielsweise senkrecht
oder als Scherbewegung (siehe gestrichelter Pfeil und 14)
relativ zu der Ebene der Fluidfläche 21.1.
Die Geschwindigkeit wird in Abhängigkeit
von den Materialeigenschaften und der gewünschten Vorsprungsform gewählt und ist
bei der o. g. PVP-Schicht z. B. im Bereich von 0.1 Millimeter pro
Sekunde bis 10 Millimeter pro Sekunde gewählt. An den Oberflächen der
Adhäsionsinseln 32 bleibt
die Haftung mit der fließfähigen Substanz 20 erhalten,
so dass Fadenverbindungen 22 zwischen den Adhäsionsinseln 32 und
der Fluidfläche 21.1 aufgespannt
werden.
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Während der
Trennungsbewegung wird die erhöhte
Temperatur der fließfähigen Substanz 20 (PVP-Schmelze)
aufrechterhalten, während
die Musterfläche 31.1 Raumtemperatur
oder eine Arbeitstemperatur aufweist, die mit der Temperiereinrichtung
der Zieheinrichtung eingestellt wird. Die Arbeitstemperatur kann
von der Raumtemperatur abweichen. Die Temperiereinrichtung kann
auch zur Kühlung
vorgesehen sein. Zwischen der Musterfläche 31.1 und der Substanz 20 ist
somit ein Temperaturgradient gegeben. Entsprechend dem Verlauf des Temperaturgradienten
erfolgt bereits während
der Trennungsbewegung ausgehend von den Adhäsionsinseln 31.1 ein
Aushärten
der Fadenverbindung 22. Gleichzeitig stellt sich durch
die Oberflächenspannung
des beim Ziehen noch fließfähigen Materials
als Kon tur eine Minimaloberfläche
ein, die sich insbesondere durch eine Verjüngung der Fadenverbindungen 22 mit
zunehmendem Abstand von der Musterfläche 31.1 auszeichnet.
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Durch
das Auseinanderziehen der Musterfläche 31.1 und der fließfähigen Substanz 20 haftet
diese an den Adhäsionsinseln 32.
Die Substanz 20, z. B. das Polymer PVP verfestigt sich
während
oder nach dem Zugvorgang durch das Verdampfen des Lösungsmittels
und/oder die Abkühlung
der Polymerschmelze. Es bilden sich die Fadenverbindungen 22 (Polymerfäden), deren
Ausgangspunkte an der Musterfläche 31.1 durch
die Anordnung der Adhäsionsinseln 32 vorgegeben
wird und deren Orientierung allgemein von der Zugrichtung der Musterfläche 31.1 abhängt. Die
Form, Länge
und weitere Eigenschaften, wie z. B. mechanische und optische Eigenschaften,
können
durch die Ziehgeschwindigkeit und die physikalischen Eigenschaften
der Substanz 20, wie z. B. die Zusammensetzung, das Molekulargewicht, den
Vernetzungsgrad des Polymers, die Viskosität oder die viskoelastischen
Eigenschaften der Substanz 20 sowie durch die Geschwindigkeit
der Verfestigung (Aushärtung)
der Substanz bestimmt werden. Die konkret realisierten Betriebsparameter
können ggf.
durch Versuche gewählt
oder optimiert werden. Bei fortgesetzter Trennungsbewegung kommt
es gemäß 1D zu
einer Durchtrennung der Fadenverbindungen, so dass auf der Musterfläche 31.1 die
fadenförmigen
Vorsprünge 11 zurückbleiben.
Die Erhebungen aus der Fluidfläche 21.1 sinken
in die gelöste oder
geschmolzene Substanz 20 zurück.
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Die 2A bis 2D zeigen
den entsprechenden Verfahrensablauf gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform
durch die Bereitstellung der fließfähigen Substanz 20 in
Form von Inseln 36 auf der Musterfläche 31.2 und die Bildung der
gegenüberliegenden
Stempelfläche
als Festkörperfläche 21.2.
Mit ei nem Bewegungsablauf analog zu den oben unter Bezug auf die 1A bis 1D beschriebenen
Schritten erfolgt zunächst
eine gegenseitige Berührung
der Stempelfläche 21.2 und der
Musterfläche 31.2 mit
den Inseln 36 (2B) und anschließend eine
Trennungsbewegung, so dass die Fadenverbindungen 22 aufgespannt
werden (2C). Während der Trennungsbewegung
erfolgt das Aushärten
der Fadenverbindungen 22, wobei im Bereich des geringsten
Durchmessers eine Unterbrechung erfolgt, so dass die fadenförmigen Vorsprünge 11 auf
der Stempelfläche 21.2 und/oder
der Musterfläche 31.2 zurückbleiben.
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Wenn
die Musterfläche 31.2 chemisch
mit der fließfähigen Substanz 20 kompatibel
ist und eine chemische Verbindung eingehen kann, werden die Inseln 36 auf
der Musterfläche 31.2 fixiert.
Die Inseln 36 umfassen bspw. Polystyrol-Partikel mit einem Durchmesser
von 200 nm, die durch partielles Anlösen mit der Musterfläche 31.2 aus
Polystyrol verbunden sind. Allgemein werden die fließfähige Substanz 20 und
das Material der Musterfläche 31.2 so
gewählt,
dass die Schmelztemperatur der Musterfläche 31.2 höher als
die der fließfähigen Substanz 20 ist. Diese
Bedingung kann vorteilhafterweise mit Polymerpartikeln erfüllt werden,
indem die partikelförmigen
Inseln 36 und das Material der Musterfläche 31.2 die gleiche
chemische Zusammensetzung, jedoch verschiedene Kettenlängen der
Polymere aufweisen. Die Festkörperfläche 21.2 besteht
aus einem Metall (z. B. Kupfer, Stahl oder eine Legierung aus diesen), dessen
Temperatur während
der Berührung
der Muster- und Stempelflächen
erhöht
wird, um die fließfähige Substanz 20 zu
verflüssigen.
Alternativ kann die Festkörperfläche 21.2 aus
einer Keramik oder Glas bestehen. Im Ergebnis der Trennungsbewegung
entstehen die fadenförmigen
Vorsprünge
vorzugsweise auf der Musterfläche 31.2.
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Alternativ
bestehen die fließfähige Substanz 20 und
die Musterfläche 31 aus
chemisch nicht kompatiblen Materialien. Beispielsweise werden partikelförmige Inseln 36 aus
einem verflüssigbaren
Polymer auf einer Metall-Musterfläche 31.2 (z. B. Kupfer,
Stahl oder eine Legierung aus diesen) aufgebracht. Die Inseln 36 haften
an der Musterfläche 31.2 an,
ohne mit dieser chemisch verbunden zu sein. Die Festkörperfläche 21.2 besteht
aus einem Material, mit dem die fließfähige Substanz 20 eine
chemische Verbindung eingehen kann. Bei der Berührung der Muster- und Stempelflächen (2B)
wird die fließfähige Substanz 20 mit
der Festkörperfläche 21.2 verbunden. Gleichzeitig
wird die fließfähige Substanz 20 über die Muster-
und/oder Festkörperflächen erwärmt. Die Verbindung
der fließfähigen Substanz 20 mit
der Festkörperfläche 21.2 umfasst
bspw. ein partielles Schmelzen oder eine chemische Kopplung, z.
B. eine photochemische Vernetzung. Anschließend erfolgen das Ausziehen
der Fadenverbindungen und deren Unterbrechung zur Bildung der fadenförmigen Vorsprünge.
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Die
folgende Beschreibung von Verfahrensvarianten bezieht sich auf Beispiele
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. Die entsprechenden Merkmale können analog auch mit der zweiten
Ausführungsform
realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil 100 mit
der strukturierten Oberfläche 10 umfasst
gemäß 3 als
Basiselement 33 die Musterfläche 31.1, auf der die
fadenförmigen
Vorsprünge 11 angeordnet
sind. Die 4 bis 6 illustrieren
weitere Varianten des erfindungsgemäßen Bauteils 100.
Gemäß 4 wird während des
Ziehens der Fadenverbindungen 22 (siehe z. B. 1C)
auch die Oberfläche
der Substanz 20, z. B. durch eine Abkühlung oder einen Lösungsmittelentzug,
ausgehärtet,
so dass sich bei der Unterbrechung der Fadenverbindungen fadenförmige Vorsprünge 11 auf
der zum festen Basiselement 23 umgewandel ten Fluidfläche bilden.
Das Basiselement 23 wird auf einem Träger 24 stabilisiert.
In diesem Fall umfasst das Bauteil 100 den Träger 24 mit dem
Basiselement 23 und den fadenförmigen Vorsprüngen 11.
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Die 5 und 6 zeigen
weitere Bearbeitungsschritte nach der Fertigstellung des Bauteils 100.
Gemäß 5 ist
die Erzeugung von Verdickungen 12 an den freien Enden der
Vorsprünge 11 vorgesehen.
Gemäß 6 werden
die Vorsprünge 11 mit
einer Deckschicht 13 abgedeckt. Diese Ausführungsform
ist beispielsweise für
optische Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse, bei denen
die Vorsprünge 11 vor
Umwelteinflüssen
geschützt
werden sollen. Ein Bearbeitungsschritt nach der Fertigstellung des
Bauteils 100 kann alternativ oder zusätzlich eine Aushärtung der
Vorsprünge durch
eine Bestrahlung umfassen.
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7 illustriert
eine weitere Variante der Erfindung, bei der die Vorsprünge 11 mehrschichtig
gebildet sind. Hierzu wird das oben illustrierte Verfahren mehrfach
durchgeführt,
wobei die jeweils gebildeten Vorsprünge als Adhäsionsinseln für das anschließende Ausziehen
von Fäden
verwendet werden. Die Verlängerung 14 des
Vorsprungs 11 kann aus dem gleichen Material wie der Vorsprung 11 oder
einem unterschiedlichen Material gebildet sein.
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8 zeigt
schematisch eine Apparatur 200 zur Herstellung einer strukturierten
Oberfläche 10, von
der aus Übersichtlichkeitsgründen eine
Variante der Musterfläche 31.1 mit
nur einem einzelnen Vorsprung 11 auf der Adhäsionsinsel 32 gezeigt
ist. Die Apparatur 200 umfasst die Zieheinrichtung 30 mit
der Antriebseinrichtung 34 und der Temperiereinrichtung 35,
eine Heizeinrichtung 40 mit einem Träger oder Gefäß 41 zur
Aufnahme der fließfähigen Substanz 20 und
optional eine Konditioniereinrichtung 50, mit der die Form
der Fadenverbindungen während
des Zugvorgangs und der Vorsprünge 11 beeinflussbar
ist.
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Die
Antriebseinrichtung 34 dient der Ausrichtung und Bewegung
der Musterfläche 31.1.
Hierzu ist beispielsweise ein Schrittmotor vorgesehen. Die Temperiereinrichtung 35 und
die Heizeinrichtung 40 enthalten z. B. Widerstandsheizungen.
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Die
Konditioniereinrichtung 50 enthält beispielsweise einen Magneten
(Permanentmagnet oder Elektromagnet) zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
unter dessen Wirkung eine Krümmung
der Vorsprünge 11 gebildet
wird. Hierzu enthält
die Substanz 20 eine magnetische Zusatzsubstanz, wie z.
B. magnetische Kolloide. Alternativ kann mit der Konditioniereinrichtung 50 ein
elektrisches Feld zur Beeinflussung der Vorsprungsform erzeugt werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Konditioniereinrichtung 50 auf
alle Vorsprünge gleichzeitig
einwirkt, so dass eine gleichmäßige Formgebung
an allen Vorsprüngen
erreicht werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Variante kann die Konditioniereinrichtung 50 für eine chemische
Beeinflussung der Form der Vorsprünge 11 eingerichtet sein.
Der Strukturierungsvorgang mit dem Ziehen der Fadenverbindungen 22 gemäß 1 oder 2 muss
nicht zwingend in einer gasförmigen
Umgebung erfolgen, sondern kann alternativ auch in einer Flüssigkeit
vorgesehen sein. Durch eine Einstellung des pH-Werts der Flüssigkeit
nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen, jedoch vor Beendigung
der Aushärtung
können
ebenfalls gekrümmte Vorsprünge erzeugt
werden. Die erfindungsgemäße Strukturierung
einer Oberfläche
in einer Flüssigkeit hat
im Vergleich zum Prozess einer gasförmigen Umgebung Vorteile für die Temperaturkontrolle,
die Steuerbarkeit des Entweichens von Lösungsmittel aus den gezogenen
Fäden der
fließfähigen Substanz und
durch die mechanische Trennung der Vorsprünge, insbesondere bei Vorsprüngen mit
einer hohen Flächendichte.
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9 illustriert
beispielhaft die Erzeugung von gekrümmten Vorsprüngen 11 durch
eine von der Oberflächennormalen
abweichende Zugrichtung (siehe Pfeil). Die Trennungsbewegung erfolgt
entlang einer geraden oder gekrümmten
Bezugslinie relativ zu der Fluidfläche 21.1. Die Zugrichtung
kann während
der Trennungsbewegung geändert
werden, um die Orientierung und/oder Form der Vorsprünge zu beeinflussen.
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Gekrümmte Vorsprünge können vorteilhafterweise
für dynamisch
schaltbare Oberflächen
verwendet werden, wie dies schematisch in 10 illustriert
ist. Liegen beispielsweise gekrümmte
Vorsprünge
gemäß 9 aus
PVP in einem neutralen Umgebungsmedium vor, so richten sich diese
durch eine Änderung
des pH-Wertes in einem sauren Medium auf. Eine entsprechende Schaltbewegung
kann auch durch eine Temperaturänderung
erreicht werden. Diese Umschaltung kann für optische oder sensortechnische
Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse sein.
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11 zeigt
verschiedene Varianten von Adhäsionsinseln
in schematischer Draufsicht. Alternativ zu kreisrunden oder quadratischen
Grundflächen 32A, 32B können zur
Erzeugung von mechanischen Anisotropien der strukturierten Oberfläche insbesondere
Grundflächen
mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen, wie z. B. elliptische
Grundflächen 32C oder
rhombusförmige
Grundflächen 32D,
vorgesehen sein. Das Bezugszeichen 32E verweist beispielhaft
auf punktförmige
Adhäsionsinseln.
Wenn die Adhäsionsinseln
alternativ Grundflächen
mit mehr als vier Ecken aufweisen, können sich Vorteile für die mechanische
Stabilität
der erfindungsgemäß gezogenen
Fasern ergeben.
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Die 11 bis 14 illustrieren
elektronenmikroskopische Abbildungen erfindungsgemäß hergestellter
Oberflächenstrukturen
aus Polyvinylpyridin. Gemäß 14 werden
erfindungsgemäß sogar
Vorsprünge
mit Windungen erzeugt, die sich beim Aushärten von Polymeren während einer
extremen Scherbewegung bilden können.
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15 zeigt
schematisch Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform einer Apparatur 201 zur Herstellung
einer strukturierten Oberfläche 10 mit
gekrümmten
Vorsprüngen 11.
Diese Ausführungsform eignet
sich besonders gut zur Herstellung von Endlosmaterial mit einer
erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche. Die
Apparatur 201 enthält
eine Walze 42, die in das Gefäß 41 mit der fließfähigen Substanz 20 eingetaucht
ist und außerhalb
des Gefäßes 41 die Musterfläche 31.1 mit
den Adhäsionsinsel(n) 32 berührt. Die
Heizeinrichtung für
das Gefäß 41 und/oder -die
Walze 42 und die optionale Konditioniereinrichtung (siehe 8)
sind nicht dargestellt.
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Eine
Antriebseinrichtung (beispielsweise ein Motor, nicht dargestellt)
ist dazu vorgesehen, die Musterfläche 31.1 in Pfeilrichtung
zu bewegen und dabei die Walze 42 zu drehen. Durch die
Drehung der Walze 42 wird auf deren zylinderförmigen Oberfläche eine
Schicht der fließfähigen Substanz 20 gebildet, deren
freie Fluidfläche
zu der Musterfläche 31.1 weist.
Im Ergebnis führen
die Adhäsionsinsel(n) 32 relativ
zur Fluidfläche
der fließfähigen Substanz 20 eine
Scherbewegung aus, mit der die Form der Fadenverbindungen während des
Zugvorgangs und der Vorsprünge 11 (vergrößert gezeigt)
beeinflussbar ist. Die Musterfläche 31.1 kann
wie gezeigt auf einem Träger
angeordnet sein oder alternativ mit einer weiteren Walze an der
Walze 42 vorbeigeführt
werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.