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Die
Erfindung betrifft eine strukturierte Oberfläche eines Festkörpers, die
eine Vielzahl von Vorsprüngen
aufweist, die eine Kontaktfläche
mit einer vorbestimmten Haftfähigkeit
bilden. Die Erfindung betrifft des weiteren ein mit einer derartigen
strukturierten Oberfläche
ausgestattetes Bauteil und Verfahren zur Modifizierung der strukturierten
Oberfläche.
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Es
ist bekannt, dass verschiedene Tiere, wie z. B. Insekten oder Eidechsen
die Fähigkeit
haben, sich an beliebig orientierten Oberflächen aufzuhalten oder zu bewegen.
Diese Fähigkeit
wird durch eine Feinstruktur an den Füßen der Tiere ermöglicht.
Die Feinstruktur verursacht zwischen den Fußflächen und einer angrenzenden
Oberfläche
relativ große Haftkräfte, welche
die Gewichtskraft des Tieres übersteigen
können.
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Es
ist bekannt, ähnlich
zu der Erzeugung von Haftkräften
in der Natur Festkörperoberflächen zu strukturieren,
um deren Haftfähigkeit
zu erhöhen.
In
WO 03/099951 A2 wird
ein Verfahren zur Oberflächenmodifizierung
eines Objektes beschrieben, bei dem auf der Oberfläche des
Objektes eine Vielzahl von Vorsprüngen gebildet werden, deren
freie Stirnflächen
eine Kontaktfläche
bilden. Die Kontaktfläche zeichnet
sich im Vergleich zur unstrukturierten Oberfläche durch eine erhöhte Haftfähigkeit
aus.
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Für die Anwendung
strukturierter Oberflächen
mit erhöhter
Haftfähigkeit
in der Praxis besteht ein Interesse, die Haftfähigkeit in Abhängigkeit
von den aktuellen Anforderungen einer konkreten Anwendung zu variieren.
Beispielsweise soll ein Werkzeug mit einem Haftelement dazu verwendet
werden, zu nächst
an einer ersten Position ein Werkstück zu erfassen, anschließend das
Werkstück
an eine zweite Position zu bewegen und schließlich das Werkstück an der
zweiten Position freizugeben. Die Überwindung der Haftkräfte der
strukturierten Oberfläche erforderte
bisher die Ausübung
zusätzlicher
mechanischer Kräfte
z. B. an dem Haftelement oder dem Werkstück, unter deren Wirkung die
strukturierte Oberfläche
vom angrenzenden Gegenstand abgehoben wird. Die Ausübung der
zusätzlichen
Trennkräfte stellt
jedoch einen in der Regel unerwünschten
Zusatzaufwand dar. Des weiteren können durch die Trennkräfte die
strukturierte Oberfläche
oder der angrenzende Gegenstand nachteilig beeinflusst, z. B. beschädigt werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
strukturierte Oberfläche bereitzustellen,
mit der die Nachteile der herkömmlichen
strukturierten Oberflächen überwunden
werden. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
mit einer derart verbesserten strukturierten Oberfläche ausgestattetes
Bauteil bereitzustellen und ein verbessertes Verfahren zur Oberflächenmodifizierung
vorzuschlagen.
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Diese
Aufgaben werden durch eine strukturierte Oberfläche, ein Bauteil und ein Verfahren
mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Vorrichtungsbezogen
wird die Aufgabe gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung durch die allgemeine technische
Lehre gelöst,
eine strukturierte Oberfläche
bereitzustellen, die eine Trägerschicht
und eine Vielzahl von Vorsprüngen
umfasst und deren Eigenschaften gezielt veränderlich sind, so dass für eine durch
die Vorsprünge
gebildete Kontaktfläche eine
vorbestimmte Haftfähigkeit
in Bezug auf eine angrenzende Umgebung einstellbar ist. Erfindungsgemäß sind die
Vorsprünge
der strukturierten Oberfläche
aus einem veränderlichen
Material gebildet. Vorteilhafterweise kann damit durch eine Veränderung
des Materials an sich und/oder seiner äußeren Form unmittelbar die
Haftfähigkeit
der Kontaktfläche
eingestellt werden. Die Erfindung umfasst auch Varianten, bei denen
die Vorsprünge
und die Trägerschicht
oder ausschließlich
die Trägerschicht aus
dem veränderlichen
Material gebildet sind. Die Einstellung der Haftfähigkeit
durch eine Veränderung der
Trägerschicht
kann bei bestimmten Anwendungen der strukturierten Oberfläche, Umgebungsbedingungen
oder verwendeten Materialien von Vorteil sein.
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Die
veränderlichen
Eigenschaften (Materialeigenschaften, Werkstoffeigenschaften) des
erfindungsgemäß verwendeten
Materials umfassen physikalische (einschließlich geometrische) und/oder chemische
Eigenschaften des Materials an sich und/oder seiner äußeren Form.
Die Eigenschaften sind gezielt veränderlich, das heißt durch
eine physikalische und/oder chemische Einwirkung gerichtet veränderlich.
Bei Veränderung
einer Eigenschaft der Vorsprünge
und/oder der Trägerschicht
werden diese von einem ersten physikalisch und/oder chemisch definierten
Zustand in einen zweiten, veränderten Zustand überführt (geschaltet).
Die Veränderlichkeit der
Eigenschaften wird auch als Schaltbarkeit bezeichnet.
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Die
Kontaktfläche,
die durch die freien Enden der Vorsprünge der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
gebildet und entsprechend durch die Abstände zwischen den freien Enden
unterbrochen ist, hat eine Haftfähigkeit,
die durch das gezielte Schalten der Eigenschaften der Vorsprünge und/oder Trägerschicht
einstellbar ist. Der Begriff „Haftfähigkeit" bezeichnet die Stärke der
molekularen Wechselwirkungskräfte,
die von der Kontaktfläche
in Bezug auf eine angrenzende Umgebung, insbesondere einen angrenzenden
Festkörper
oder eine angrenzende Flüssigkeit
gebildet werden können.
Durch die Haftfähigkeit
(Haftung) werden die Gegenkräfte
zu mechanischen Kräften
bestimmt, die zur Relativbewegung der Kontaktfläche und eines angrenzenden Objekts
aufgewendet werden. Die Haftung umfasst Gegenkräfte mit Komponenten senkrecht
und/oder parallel zur Oberfläche
der Kontaktfläche.
Entsprechend umfasst der Begriff Haftfähigkeit im Rahmen des vorliegenden
Beschreibung sowohl die Adhäsionsfähigkeit
als auch die Fähigkeit
zur Erzeugung von Reibungskraft.
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Die
erfindungsgemäße strukturierte
Oberfläche
hat den Vorteil, dass durch das Schalten der Materialeigenschaft
der Vorsprünge
und/oder der Trägerschicht
die Haftfähigkeit
der Kontaktfläche
von einem Zustand mit hoher Haftung in einen Zustand mit geringer
Haftung (oder umgekehrt) umschaltbar ist. Entsprechend kann die
Haftfähigkeit
der Kontaktfläche
in Abhängigkeit
einer konkreten Anforderung, wie z. B. zur Aufnahme eines Werkstücks oder
zur Ablage eines Werkstücks
verändert
werden, ohne dass äußere mechanische
Trennkräfte
auf die strukturierte Oberfläche
oder das Werkstück
ausgeübt werden
müssen.
Der Anwendungsbereich strukturierter Oberflächen wird damit erheblich erweitert, wobei
bisherige Anwendungen der strukturierten Oberflächen deutlich vereinfacht werden,
da auf Vorkehrungen zur Ausübung
von Trennkräften
verzichtet werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt basiert die Erfindung auf der allgemeinen
technischen Lehre, ein Bauteil mit verstellbarer Haftfähigkeit
bereitzustellen, das die erfindungsgemäße strukturierte Oberfläche gemäß dem ersten
Gesichtspunkt aufweist. Vorteilhafterweise kann die Trägerschicht
der strukturierten Oberfläche
ein Teil des Bauteils sein, das heißt die Vorsprünge der
strukturierten Oberfläche
können
unmittelbar aus dem Material eines Basiskörpers des Bauteils gebildet
sein. Alternativ kann die strukturierte Oberfläche schichtförmig auf
einem Basiskörper
des Bauteils angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann somit ein
bestehendes Objekt mit der strukturierten Oberfläche nachgerüstet werden, um das Objekt
mit einer einstellbaren Haftfähigkeit
auszustatten.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt basiert die Erfindung auf der allgemeinen
technischen Lehre, eine strukturierte Oberfläche durch eine gezielte Veränderung
von Eigenschaften von Vorsprüngen
und/oder einer Trägerschicht
der Oberfläche
zur Einstellung einer vorbestimmten Haftfähigkeit einer durch die Vorsprünge gebildeten
Kontaktfläche
zu modifizieren. Durch eine vorbestimmte äußere Einwirkung werden physikalische
(einschließlich
geometrische) und/oder chemische Eigenschaften der Vorsprünge und/oder
der Trägerschicht
variiert. Im Unterschied zu herkömmlichen
strukturierten Oberflächen,
bei denen eine Haftung oder Enthaftung durch eine äußere mechanische
Kraft verursacht wird, die an dem haftenden Objekt oder dem Bauteil
mit der strukturierten Oberfläche
angreift, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die strukturierte
Oberfläche
als solche unmittelbar beeinflusst.
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Die
erfindungsgemäße strukturierte
Oberfläche
weist eine Vielzahl von Vorsprüngen
auf, welche die Kontaktfläche
der Oberfläche
bilden. Mit dem Begriff „Vorsprung" werden langgestreckte
Strukturen, z. B. mit Stab- oder Filamentform bezeichnet, die auf der
Trägerschicht
stehen. In Abhängigkeit
von dem Verfahren zur Herstellung der strukturierten Oberfläche können die
Trägerschicht
und die Vorsprünge aus
einem gemeinsamen Material oder aus verschiedenen Materialien hergestellt
sein. Die Vorsprünge bilden
eine mikro- oder nanostrukturierte Topografie, d. h. die Vorsprünge haben
typi scherweise eine axiale Länge
im Bereich von 10 nm bis mehrere mm, z. B. 5 mm und eine radiale
Dimension im Bereich von wenigen nm, z. B. 2 nm bis 1 mm. Die Vorsprünge bilden eine
Faseranordnung, deren Haftfähigkeit
durch eine äußere Einwirkung,
die eine Veränderung
insbesondere von geometrischen, mechanischen oder chemischen Eigenschaften
der Faseranordnung bewirkt, von einem haftenden Zustand zu einem
nicht-haftenden Zustand (oder umgekehrt) eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß können alle
Vorsprünge die
gleiche Form und Größe aufweisen.
Alternativ können
die Vorsprünge
eine hierarchische Größenverteilung,
z. B. wie sie in
WO
03/099951 A2 beschrieben ist, Eigenschaftsgradienten und/oder
Eigenschaftsanisotropien aufweisen. Ein Eigenschaftsgradient umfasst
z. B. einen Gradienten im Young-Modul, mit dem die Vorsprünge an die
Trägerschicht
angrenzend eine größere Härte aufweisen als
an ihren Kopfteilen. Eine Eigenschaftsanisotropie ist z. B. gegeben,
wenn die Vorsprünge
in longitudinalen und transversalen Richtungen verschiedene Young-Module
aufweisen.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass vorteilhafterweise zur Einstellung
der Haftfähigkeit
viele verschiedene Werkstoffeigenschaften geeignet und entsprechende
gezielt veränderliche
Materialen verfügbar
sind. Eine erste Gruppe von gezielt veränderlichen Eigenschaften umfasst
physikalische Eigenschaften, insbesondere mechanische und/oder geometrische
Eigenschaften der Vorsprünge
und/oder der Trägerschicht.
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Vorzugsweise
umfassen die Vorsprünge
Materialien, deren Neigungswinkel im Bezug auf die Trägerschicht
veränderlich
ist. Der Neigungswinkel stellt vorteilhafterweise eine einfache
geometrische Größe der Vorsprünge dar,
mit der die Haftfähigkeit
unmittelbar veränderlich
ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass alle Vorsprünge den
gleichen Neigungswinkel aufweisen, der zwischen einem ersten Wert
(Zustand einer erhöhten
Haftfähigkeit)
und einem zweiten Wert (Zustand einer in Bezug auf den ersten Zustand
verminderten Haftfähigkeit)
veränderlich
ist. Alternativ kann vorgesehen sein, das die Vorsprünge lediglich
im Zustand erhöhter
Haftfähigkeit den
gleichen Neigungswinkel, im Zustand verminderter Haftfähigkeit
jedoch verschiedene Neigungswinkel aufweisen. In diesem Fall wird
durch eine Veränderung
der Verteilung von Neigungswinkeln der Vorsprünge die Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche
eingestellt. Diese Variante der Erfindung hat insbesondere Vorteile
für eine
graduelle Einstellung der Haftfähigkeit
in Abhängigkeit
von der Breite der Verteilung von Neigungswinkeln. Die Veränderung
der Verteilung von Neigungswinkeln kann in einen komplett ungeordneten
Zustand der Vorsprünge
führen (so
genannter Kollaps der strukturierten Oberfläche). Es ist vorzugsweise ein
reversibler Kollaps der strukturierten Oberfläche vorgesehen.
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Die
Einstellung der Haftfähigkeit
in Abhängigkeit
vom Neigungswinkel kann in jedem konkreten Anwendungsfall ausgewählt werden,
z. B. durch Versuche. Typischerweise steigt die Haftfähigkeit
mit einem sich verringerndem Neigungswinkel. Alternativ kann bei
Verringerung des Neigungswinkels eine verminderte Haftfähigkeit
eingestellt werden, z. B. wenn die Vorsprünge mit verringertem Neigungswinkel
besonders weich sind.
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Vorteilhafterweise
kann des weiteren eine Veränderung
der Abstände
zwischen den Vorsprünge
insbesondere zwischen deren Kopfteilen, die unmittelbar die Kontaktfläche bilden,
vorgesehen sein. Für
diese Variante der Erfindung können
beispielsweise verfügbare
schrumpf- oder schwellfähige
Materialien zur Bildung der Vorsprünge und/oder der Trägerschicht
verwendet werden. Die Verwendung einer schrumpf- oder schwellfähigen Trägerschicht hat
den Vorteil, dass durch eine relativ geringe äußere Einwirkung, wie z. B.
eine Temperaturänderung oder
eine Änderung
der relativen Feuchte, eine starke Änderung der Abstände der
Vorsprünge
erzielt werden kann. Die Haftfähigkeit
der Kontaktfläche kann
mit besonders hoher Empfindlichkeit eingestellt werden. Wenn eine
Einstellung des Elastizitätsmoduls
der Vorsprünge
und/oder von dessen Richtungsabhängigkeit
vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise die Haftfähigkeit
der Kontaktfläche
verändert
werden, ohne das sich deren optischen Eigenschaften, wie z. B. das
visuelle Erscheinungsbild, verändern.
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Bei
weiteren vorteilhaften Varianten der Erfindung kann eine gezielte Änderung
von chemischen Eigenschaften der Vorsprünge und/oder der Trägerschicht
vorgesehen sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass organische
Materialien (insbesondere Polymermaterialien), Kompositmaterialien
oder Metalle verfügbar
sind, bei denen durch eine äußere Einwirkung
die Molekülstruktur,
Festkörperstruktur (insbesondere
Polymerstruktur) und/oder chemische Zusammensetzung derart gezielt
veränderlich
sind, dass sich die Fähigkeit
der Vorsprünge
zu molekularen Wechselwirkungen im Bezug auf unmittelbar angrenzende
Objekte, insbesondere die Oberflächenadsorption
verändert.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine
Vielzahl verschiedener äußerer Einwirkungen
verfügbar
ist, die zur Modifizierung der strukturierten Oberfläche und
zur Einstellung der Haftfähigkeit
anwendbar sind. Eine äußere Einwirkung
kann z. B. eine Temperaturänderung durch
eine Erwärmung
oder Abkühlung
umfassen. Vorteilhafterweise kann eine Erwärmung durch eine Heizeinrichtung
erreicht werden, die von außen,
z. B. mittels Wärmestrahlung,
oder von innen, z. B. mittels Induktionsheizung wirkt. Alternativ
oder zusätzlich können statische
oder dynamische magnetische und/oder elektrische Felder oder elektromagnetische Strahlung
als äußere Einwirkung
angewendet werden. Diese Variante hat insbesondere bei Anwendungen
der Erfindung Vorteile, bei denen die strukturierte Oberfläche, ein
mit dieser ausgestattetes Bauteil oder ein an diese angrenzendes
Objekt temperaturempfindlich ist. Des Weiteren können magnetische und/oder elektrische
Felder besonders vorteilhaft für eine
reversible Einstellung der Haftfähigkeit
verwendet werden. Schließlich
kann die äußere Einwirkung eine
Beaufschlagung der strukturierten Oberfläche mit mindestens einer chemischen
Substanz umfassen. In diesem Fall kann vorteilhafterweise eine unbeabsichtigte
Verstellung der Haftfähigkeit,
z. B. durch Störfelder
vermieden werden.
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Die
Vorsprünge
und/oder die Trägerschicht der
strukturierten Oberfläche
weisen einen Elastizitätsmodul
vorzugsweise unterhalb von 10 GPa auf. Dies hat insbesondere den
Vorteil einer leichten Anpassung der strukturierten Oberfläche an glatte
oder raue Oberflächen
eines angrenzenden, an der Kontaktfläche haftenden Objekts. Vorteilhafterweise kann
die Kontaktfläche
somit im haftenden Zustand passend zur Oberfläche des angrenzenden Objekts geformt
werden. Einen ausreichend geringen Elastizitätsmodul weisen z. B. organische
Polymermaterialien auf. Alternativ können die Vorsprünge und/oder die
Trägerschicht
aus einem Metall gebildet sein. Es können insbesondere Metalle (so
genannte Shape-Memory-Metalle, z. B. Nickel-Titan, siehe Y. Zhang
et al. in "Appl.
Phys. Lett." Bd.
89, 2006, S. 041912) verwendet werden.
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Wenn
die Vorsprünge
einen Härtegradienten aufweisen,
beträgt
das Elastizitätsmodul
an die Trägerschicht
angrenzend z. B. 10 GPa und an den Kopfteilen z. B. 1 GPa. Wenn
die Vorsprünge
anisotrope Young-Module aufweisen, beträgt der Young-Modul in longitudinaler
Richtung der Vorsprünge
z. B. 1 GPa und in transversaler Richtung z. B. 10 MPa.
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Gemäß einer
weiteren Alternative können die
Vorsprünge
der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
aus einem Material mit einem höheren
Elastizitätsmodul,
z. B. einer Keramik oder einem Halbleitermaterial gebildet sein,
wenn die strukturierte Oberfläche
zur Haftung an Objekten mit glatten Oberflächen vorgesehen ist und oder
wenn die Trägerschicht
mit einem Elastizitätsmodul
unterhalb von 10 GPa gebildet ist. Im letzteren Fall kann eine Haftung
an glatten oder rauen Oberflächen
vorteilhafterweise auch dann erreicht werden, wenn die Vorsprünge aus
einem härteren
Material gebildet sind.
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Wenn
gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Vorsprünge und/oder
die Trägerschicht
aus einem Polymermaterial gebildet sind, können sich weitere Vorteile
aus der Vielzahl verfügbarer
Polymere und deren Fähigkeit
zur Anpassung an konkrete Anforderungen einer Anwendung der strukturierten
Oberfläche
ergeben. Es kann insbesondere ein einheitliches (homogenes) Polymermaterial,
eine Polymerzusammensetzung aus verschiedenen Polymeren oder ein
Polymerkomposit aus mindestens einem polymeren und einem Fremdstoff,
wie z. B. Metallpartikeln verwendet werden. Polymerkomposite haben
den weiteren Vorteil, dass geeignete Zusammensetzungen aus verfügbaren Polymeren,
die zur Herstellung strukturierter Oberflächen geeignet sind (Verfahren
siehe z. B.
WO 03/099951
A2 ) mit metallischen oder magnetischen Zusätzen ausgestattet
werden können,
um die erfindungsgemäße Einstellbarkeit
der Haftfähigkeit
zu erreichen.
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Als
Polymermaterialien haben sich insbesondere Formgedächtnis-Polymere,
Flüssigkristall-Polymere,
Komposite mit metal lischen, nicht-magnetischen oder mit magnetischen
Partikeln, strahlenempfindliche Polymere und flüssigkeitsempfindliche Polymere
als vorteilhaft erwiesen. Die Polymermaterialien sind z. B. aus
Elastomeren oder Block-Copolymeren gebildet. Formgedächtnis-Polymere
sind Polymere, die den Formgedächtnis-Effekt zeigen
(siehe z. B. A. Lendlein et al. in „Angewandte Chemie – International
Edition", Band 41,
2002, S. 2034-2057, R. Mohr et al. in „PNAS", Band 103, 2006,
S. 3540-3545).
Flüssigkristall-Polymere
(siehe z. B. K. Hiraoka et al. in „Macromolecules" Band 38, 2005, S.
7352-7357) können
vorteilhafterweise zur Einstellung der Haftfähigkeit unter Einwirkung elektrischer
Felder verwendet werden. Strahlenempfindliche Polymere umfassen
insbesondere lichtempfindliche Polymere, die ihre Gestalt oder Struktur
bei Bestrahlung mit Licht (IR, VIS oder UV) ändern (siehe A. Lendlein
et al. in „Nature", Band 434, 2005,
S. 879-882). Erfindungsgemäß verwendete Polymermaterialien
können
zu mehreren der genannten Gruppen gehören.
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Wenn
die Eigenschaften der Vorsprünge und/oder
der Trägerschicht
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung reversibel und wiederholt veränderlich sind, kann die Haftfähigkeit der
strukturierten Oberfläche
vorteilhafterweise wiederholt zwischen einem Zustand erhöhter Haftung und
einem Zustand verminderter Haftung umgeschaltet werden. In diesem
Fall ergeben sich besondere Vorteile für die Anwendung der strukturierten Oberfläche bei
dynamischen Vorgängen,
bei denen die Haftfähigkeit
jeweils an konkrete Anforderungen eines Verfahrens angepasst werden
soll. Alternativ kann eine einmalige, irreversible Einstellung der Haftfähigkeit
vorgesehen sein. Eine einmalige Veränderung der Vorsprünge und/oder
der Trägerschicht bedeutet,
dass die Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche
nach deren Herstellung, vorzugsweise unmittelbar vor der Anwendung
nachträglich
eingestellt wird.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorsprünge an ihren
freien Enden (Kopfteilen) eine oder mehrere Formen aufweisen können, die
in Abhängigkeit
von der konkreten Anwendung der strukturierten Oberfläche verschieden
sein können.
Es können
beispielsweise Stirnflächen
mit einer ebenen, sphärischen,
gewölbten,
oder abgeflachten Form oder Hohl- oder Napfstrukturen, wie Röhrchen, Saugnäpfe oder
in Substrukturen aufgespaltene Formen vorgesehen sein.
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Bevorzugte
Anwendungen der Erfindung bestehen in der Transporttechnik, insbesondere
in der Werkzeugtechnik und Robotertechnik, in der Bautechnik, in
der Textiltechnik, insbesondere bei der Bildung von Textilverschlüssen, in
der Medizintechnik, insbesondere für medizinische Geräte oder
medizinisches Material, wie z. B. Verbandmaterial, für Sportartikel,
wie z. B. Sportgeräte
oder Sportschuhe, oder in der Haushaltstechnik, wie z. B. bei Möbeln.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine erste Variante erfindungsgemäßer strukturierter Oberflächen mit
einer Illustration der Einstellung der Haftfähigkeit;
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2:
schematische Schnittansichten von Vorsprüngen einer erfindungsgemäßen strukturierten Oberfläche;
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3 bis 7:
weitere Varianten erfindungsgemäßer strukturierter
Oberflächen
mit einer Illustration der Einstellung der Haftfähigkeit; und
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8:
eine schematische Illustration einer Anwendung der Erfindung in
der Transporttechnik.
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Verschiedene
Wirkprinzipien der erfindungsgemäßen Einstellung
der Haftfähigkeit
werden im folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die
1 bis
7 erläutert. Es
wird betont, dass die Figuren lediglich der schematischen Illustration
der Erfindung dienen. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf
die gezeigten geometrischen Formen und Größenverhältnisse der ausschnittsweise
vergrößert dargestellten
strukturierten Oberflächen
beschränkt,
sondern entsprechend mit abgewandelten geometrischen Verhältnissen
umsetzbar (siehe z. B. Beschreibung von
2, siehe
auch
WO 03/099951
A1 ). In den Figuren ist jeweils die strukturierte Oberfläche mit
der Trägerschicht
und den Vorsprüngen
gezeigt. In der praktischen Umsetzung (siehe z. B.
8)
ist die strukturierte Oberfläche
auf einem Basiskörper
angeordnet oder als Bestandteil von diesem vorgesehen. Der Basiskörper kann
eine gekrümmte
oder ebene Oberflächenform
aufweisen. Entsprechend kann die erfindungsgemäße strukturierte Oberfläche gekrümmt oder
eben sein. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist
in den
2 bis
6 der Basiskörper nicht dargestellt.
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In
der folgenden Beschreibung werden zunächst Ausführungsbeispiele der gezielten,
permanenten oder temporären
Veränderung
der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
erläutert. Anschließend werden
die Materialien und Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
beispielhaft beschrieben. Es wird betont, dass in Abhängigkeit
von den konkreten Bedingungen der Anwendung der strukturierten Oberfläche die
verschiedenen Materialen zur Realisierung der verschiedenen Wirkprinzipien
zur gezielten Einstellung der Haftfähigkeit verwendbar sind. Die
beschriebenen Wirk prinzipien können
verwendet werden, um auf einer Oberfläche eine einheitliche Haftfähigkeit
einzustellen oder einen Gradienten der Haftfähigkeit zu bilden.
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1A zeigt eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche 11 eines
Basiskörpers 10,
die eine Vielzahl von Vorsprüngen 12 auf
einer Trägerschicht 13 aufweist.
Die Vorsprünge 12 bilden
eine regelmäßige Anordnung
mit Abständen
z. B. im Bereich von 10 nm bis 1 mm. Durch die Gesamtheit der freien
Enden (Kopfteile) der Vorsprünge 12 wird
eine Kontaktfläche 14 aufgespannt.
Die Kontaktfläche 14 ist
dazu eingerichtet, bei Berührung
einer Oberfläche
eines angrenzenden Objekts molekulare Wechselwirkungskräfte zu bilden.
In Abhängigkeit
von der Stärke
der Gesamtheit der molekularen Wechselwirkungskräfte kann eine Haftverbindung
zum angrenzenden Objekt gebildet werden. Die Haftverbindung wird
ohne eine Verankerung mit der Oberfläche des Objekts oder ein Ineinandergreifen
von Vorsprüngen
gebildet, sondern durch van der Waals-Kräfte, gegebenenfalls unterstützt durch
Kapillar- und/oder
Saugkräfte
(siehe 2) vermittelt. Zusätzliche Beiträge können durch elektrostatische
Kräfte
oder Kapillarkräfte
gebildet werden. 2 zeigt beispielhaft verschiedene
Varianten der Vorsprünge 12 mit
Kopfteilen 12.1, die z. B. eine ebene (insbesondere flache,
spatelförmige, T-förmige oder
L-förmige),
gewölbte
(insbesondere sphärische),
hohle oder aufgespaltene Gestalt aufweisen.
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Die
Vorsprünge 12 der
erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche 11 werden
vorzugsweise nach einem der folgenden Verfahren hergestellt: Mikro-
oder Nanolithographie der Trägerschicht,
Mikro-Printing, Wachstum der Vorsprünge durch Selbstorganisation,
insbesondere von Block-Copolymeren, Mikro-Funkenerosion (bei metallischen
Materialien), Mikro-EDM,
Oberflächenbearbeitung
mittels fokussiertem Ionenstrahl, plastisches Formen, z. B. Heißprägen oder
Spritzguss und/oder sogenanntes Rapid Prototyping unter Verwendung
von Laserstrahlen (mit Pulver- oder Polymermaterialien). Da diese
Verfahren an sich bekannt sind, werden weitere Einzelheiten der
Verfahrenstechnik hier nicht beschrieben. Zur Herstellung der Vorsprünge 12 aus
Polymermaterial werden für
die genannten Verfahren Polymerpulver, Polymerpellets oder Polymer-Precursor-Materialien
verwendet, die gegebenenfalls ein Vernetzungsmittel und/oder ein
Verstärkungsmittel
enthalten. Das Vernetzungsmittel dient einer Vernetzung unter der
Wirkung chemischer Substanzen oder unter der Wirkung von Bestrahlung,
so dass die mechanische Stabilität
der Vorsprünge
verbessert werden kann.
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Die
molekularen Wechselwirkungskräfte,
die von der Kontaktfläche 14 gebildet
werden, können
in Abhängigkeit
vom Neigungswinkel α zwischen
einer Längsrichtung
der Vorsprünge 12 und
der Trägerschicht 13 eingestellt
werden. Beispielsweise ergibt sich mit Polymervorsprüngen (Material:
PDMS, Durchmesser: 10 μm,
Länge:
50 μm) bei
einem geringen Neigungswinkel = 30° (1A)
ein Zustand mit erhöhter
Haftfähigkeit
und bei einem Neigungswinkel α2= 45° (1B) ein im Vergleich zum ersten Zustand
veränderter
Zustand verminderter Haftfähigkeit.
Die Einstellung der Haftfähigkeit
gemäß 1 kann
alternativ so erfolgen, dass bei dem geringen Neigungswinkel eine
verminderte Haftfähigkeit
und bei dem größeren Neigungswinkel
eine erhöhte
Haftfähigkeit
oder umgekehrt gegeben ist. Das Umschalten zwischen dem haftenden
und nicht-haftenden
Zustand erfolgt durch eine äußere Einwirkung,
die durch den Doppelpfeil symbolisiert ist und zum Beispiel eine
Temperaturerhöhung,
elektrische Felder, magnetische Felder, elektromagnetische Strahlung,
insbesondere Licht, einen mechanischen Einfluss (z. B. eine mit
einer Walze aufgebrachte Vorspannung) oder die Einwirkung chemischer
Substanzen umfasst (siehe 5, 6).
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Alternativ
kann mit der äußeren Einwirkung gemäß den 3A bis 3C oder 3D und 3E die
Haftfähigkeit
durch eine gezielte Änderung
eines Ordnungszustands der Vorsprünge 12 eingestellt
werden. Der Ordnungszustand der Vorsprünge 12 kann durch
die Breite der Verteilung der Neigungswinkel relativ zur Trägerschicht 13 charakterisiert
werden. Lediglich in einem Zustand, in dem die Vorsprünge 13 eine
Anordnung mit einem geordneten Muster (z. B. Matrixmuster) bilden
und sämtlich
in die selbe Richtung weisen, ist ein Zustand erhöhter Haftfähigkeit
gegeben.
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Gemäß 3A haben alle Vorsprünge 12 den selben
Neigungswinkel, d.h. die Verteilungsbreite der Neigungswinkel ist
extrem eng. Durch eine gezielte physikalische und/oder chemische
Einwirkung können
die Neigungswinkel von einigen (3C) oder
allen (3B) Vorsprüngen 12 verändert werden.
Mit einer zunehmenden Anzahl von Vorsprüngen, die von der homogenen
Ausrichtung gemäß 3A abweichen, vermindern sich die molekularen Wechselwirkungskräfte, die
von der Gesamtheit der Vorsprünge 12 ausgeübt werden.
Entsprechend kann die strukturierte Oberfläche 11 durch eine äußere Einwirkung
vom Zustand mit erhöhter
Haftfähigkeit (3A) gegebenenfalls über ein Zwischenzustand (3C) in einen Zustand verminderter Haftfähigkeit (3B) umgeschaltet werden.
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Der
Ordnungszustand der Vorsprünge 12 kann
gemäß den 3D und 3E vorteilhafterweise mit
Polymerkompositen mit magnetischen Partikeln eingestellt werden.
Die magnetischen Partikel 12.2 sind in oder an den Kopfteilen 12.1 der
Vorsprünge 12 angeordnet.
Durch das Feld eines Magneten 23 (Permanentmagnet oder
schaltbarer Elektromagnet) werden alle Vorsprünge 12 ausgerichtet,
so dass der haftende Zustand eingestellt wird (3D).
Durch Entfernung des Magneten 23 oder ein Abschalten des
Elektromagneten wird das magnetische Feld beseitigt, so dass die
Vorsprünge
zufällig
verteilt ausgerichtet sind und der nicht-haftende Zustand eingestellt
wird (3E). Die gezeigte Verstellung
der Haftfähigkeit
ist vorteilhafterweise wiederholt umkehrbar (reversibel).
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Gemäß einer
weiteren Alternative können die
Abstände
der Kopfteile 12.1 der Vorsprünge 12 gezielt verändert werden,
um die Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 einzustellen.
Beispielsweise kann gemäß 4A vorgesehen sein, dass mit relativ großen Abständen der
Kopfteile 12.1 (z.B. im Bereich von 100 nm bis 1 mm) eine
geringe Haftfähigkeit
gegeben ist. Durch eine äußere Einwirkung kann
die Zahl der Kopfteile 12.1 und damit der mikroskopischen
Kontakte pro Fläche
vergrößert werden, so
dass gemäß 4B zunächst
ein Zustand erhöhter
Haftfähigkeit
erreicht wird. Anschließend
kann durch die weitere äußere Einwirkung
ein laterales Zusammenhaften der Vorsprünge 12 induziert werden, so
dass sich die Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 vermindert
(4C).
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Die
Abstände
zwischen den Kopfteilen 12.1 und damit die Haftfähigkeit
der Kontaktfläche 14 können beispielsweise
durch eine Erwärmung
der Trägerschicht 13 eingestellt
werden. Mit der Temperaturerhöhung
schrumpft die Trägerschicht,
so dass sich die Abstände
der Kopfteile 12.1 verringern. Vorteilhafterweise ist dies
möglich,
ohne dass sich die Trägerschicht
von einem Basiskörper
ablöst.
Sobald ein kritischer Abstand unterschritten wird, haften die Vorsprünge 12 lateral
aneinander (4C), so dass die Haftfähigkeit
vermindert oder bis zu einer Abstoßungswirkung verändert wird.
Eine Trägerschicht
aus einem schrumpffähigen
Material wird vorzugsweise bei Ausführungsformen der Erfindung
verwendet, bei denen sich die Größe des Bauteils,
das mit der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
ausgestattet ist, während
der Anwendung ändert,
z. B. durch eine Ausdehnung oder Kontraktion als Ergebnis einer
Temperaturänderung.
Mit der Anpassung der Trägerschicht
an die veränderte
Größe kann
gleichzeitig die Haftfähigkeit
der Oberfläche
eingestellt werden.
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Für eine Verminderung
der Haftfähigkeit
gemäß 4C werden die Vorsprünge vorzugsweise aus einem
Polymermaterial mit starker lateraler Adhäsion, insbesondere aus einem
weichen Elastomer, z. B PDMS gebildet. Von dem Zustand verminderter Haftfähigkeit
ausgehend kann durch eine Abkühlung der
strukturierten Oberfläche
eine Verminderung der lateralen Adhäsion der Vorsprünge erreicht
werden, so dass sich die einzelnen Vorsprünge voneinander trennen (Übergang
zur Anordnung gemäß 4B). In diesem Zustand ist eine erhöhte Haftfähigkeit
der Kontaktfläche 14 eingestellt.
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5 zeigt
das entsprechende Umschalten zwischen einem Zustand erhöhter Haftfähigkeit (5A) und einem Zustand verminderter Haftfähigkeit
(5B) durch eine Beaufschlagung der
strukturierten Oberfläche 11 mit
einer chemischen Substanz 15 in Form einer Flüssigkeit
oder eines Gases oder Dampfes, z. B. mit Wasser. Durch eine Umgebungsfeuchte
wird Wasser an den Vorsprüngen 12 adsorbiert,
so dass sich die Haftfähigkeit
wie gezeigt durch eine Deformation der Vorsprünge, oder alternativ oder zusätzlich durch
eine chemische Umwandlung im Material der Vorsprünge oder auf deren Oberfläche verändert. Bei
Einwirkung der chemischen Substanz 15 kann beispielsweise
der Neigungswinkel der Vorsprünge 12 konstant
bleiben, die Adsorptionsfähigkeit
ihrer Oberflächen
hingegen verändert
werden.
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Einzelheiten
der Einstellung der Haftfähigkeit unter
Verwendung von Vorsprüngen
aus flüssigkristallinen
Elastomeren sind analog zu 1 in 6 am
Beispiel der Veränderung
der Neigungswinkel der Vorsprünge 12 illustriert.
Die flüssigkristallinen
Elastomere weisen bei einem Phasenübergang von einer isotropen
zu einer nematischen oder smektischen Phase eine Verlängerung
oder eine Schrumpfung entlang der Mesogene in Domänenbereichen
auf. Die Verlängerung
oder Schrumpfung tritt während des
Phasenübergangs
spontan und schnell auf, wie in den schematisch vergrößerten Teildarstellungen von 5 gezeigt
ist. Der Phasenübergang
kann durch eine äußere Einwirkung
ausgelöst
werden, die zum Beispiel eine Temperaturänderung oder ein elektrisches
Feld umfasst. Es ist zum Beispiel eine Temperaturänderung
um wenige Grad, z. B. +/- 10° um
die Übergangstemperatur,
bei welcher der Übergang
zwischen der nematischen und smektischen Phase oder eine Isotropisierung
erfolgen, oder die Bildung eines elektrischen Feldes mit einer Feldstärke einigen
V/μm, z.
B. von 10 V/μm
oder 107 V/m vorgesehen.
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Die
Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 kann
gemäß einer
weiteren Alternative mit einem Polymermaterial eingestellt werden,
dass zur Bildung einer strukturierten Oberfläche in einem äußeren elektrischen
Feld eingerichtet ist. Der Vorgang der elektrisch induzierten Strukturierung
ist reversibel, so dass die Haftfähigkeit zwischen verschiedenen
Zuständen
umschaltbar ist. Gemäß 7 kann das
Umschalten der strukturierten Oberfläche unter der Wirkung eines
elektrischen Feldes mit einer Temperaturänderung kombiniert werden,
um Eigenschaften der Vorsprünge
auch nach Abschalten des elektrischen Feldes zu erhalten. Beispielsweise
wird gemäß den 7A und 7B bei
einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur oder der Schmelztemperatur
des Polymermaterials der elektrisch induzierte Übergang vom Zustand ohne Haftfähigkeit
(7A) zum Zustand mit Haftfähigkeit (7B) durchgeführt. Das mit einer äußeren Spannungsquelle 21 induzierte
elektrische Feld hat beispielsweise eine Feldstärke von 10 V/cm. Durch Abkühlung der
strukturierten Oberfläche 11 unterhalb der
Glasübergangs-
oder Schmelztemperatur (7C) kann der
Zustand mit erhöhter
Haftfähigkeit zunächst auch
ohne das elektrische Feld erhalten werden. Durch eine Erwärmung der
strukturierten Oberfläche 11 auf
eine Temperatur oberhalb der Glasübergangs- oder Schmelztemperatur
kann die Haftfähigkeit
auf einen verminderten Wert eingestellt werden (7D).
Die in 7 illustrierte Ausführungsform der Erfindung ist
mit besonderem Vorteil insbesondere in der Transporttechnik, speziell
in der Halbleitertechnologie und Mikroelektronik anwendbar.
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Zur
Erzeugung des elektrischen Feldes für die z. B. in den 1, 3 oder 7 gezeigten Ausführungsformen
der Erfindung wird die Spannungsquelle 21 mit einer unteren
Elektrode unterhalb der Vorsprünge
und einer oberen Elektrode oberhalb der Vorsprünge verbunden. Die untere Elektrode
wird vorzugsweise durch eine elektrisch leitfähige Komponente des Bauteils
gebildet, das die strukturierte Oberfläche trägt, wie z. B. durch eine elektrisch
leitfähige
Schicht in einem elektronischen Bauteil. Die obere Elektrode wird
vorzugsweise durch ein Teil eines Zusatzwerkzeuges, wie eines Transportwerkzeugs
gemäß 8,
gebildet. Die Position der oberen Elektrode bestimmt die Richtung
des elektrischen Feldes, dem die strukturierte Oberfläche ausgesetzt wird.
Vorzugsweise sind beide Elektroden flächig gebildet und mit konstantem
Abstand, insbesondere parallel, zur strukturierten Oberfläche angeordnet.
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Im
Folgenden werden Materialien beschrieben, die zur Bildung erfindungsgemäßer strukturierter
Oberflächen
geeignet sind.
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1. Polymere mit Formgedächtnis
-
Um
die verschiedenen Haftfähigkeiten
der strukturierten Oberfläche
einzustellen und die Übergänge zwischen
den verschiedenen Eigenschaften der Vorsprünge 12 und/oder Trägerschichten 13 zu induzieren,
werden können
Polymere mit Formgedächtnis
verwendet werden. Die Vorsprünge
werden beispielsweise bei einer Temperatur nahe oder oberhalb der
Glasübergangstemperatur
oder der Schmelztemperatur einer mechanischen Spannung ausgesetzt,
ohne die Elastizitätsgrenze
des Materials zu überschreiten.
Das unter der mechanischen Spannung kollabierte Muster der Vorsprünge (z.
B. 3B) kann beispielsweise durch eine
Erhitzung des Materials oberhalb der Glasübergangs- oder Schmelztemperatur
in die ursprüngliche
Anordnung (z. B. 3A) überführt werden.
In Abhängigkeit
von der Zuordnung des permanenten oder transienten Zustands zu einem
der Zustände
des Polymermaterials können
die folgenden Materialien zur Herstellung schaltbarer strukturierter
Oberflächen
verwendet werden:
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1.1 Polymermaterialien mit einem vernetzten
permanenten Zustand und einem amorphen oder glasartigen transienten
Zustand
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Erfindungsgemäß können lineare
oder verzweigte Polymere, Polymerzusammensetzungen oder Polymerkomposite
(z. B. auf der Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC),
Polyurethan (PU), Polynorbornen) mit einer physikalischen Vernetzung
oder Verschränkung,
die eine elastische Deformation ermöglicht. Vernetzte elastomere
Materialen werden besonders bevorzugt, da sie eine stärkere elastische
Deformation ermöglichen.
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Beispielsweise
kann eine adhäsive,
regelmäßig gebildete
Kontaktfläche
(3A) durch mechanische Kräfte in den
kollabierten, nicht-adhäsiven Zustand
(3B) deformiert und auf eine Temperatur
unterhalb der Glasübergangstemperatur
abgekühlt
werden, um den nicht-adhäsiven
Zustand mit der kollabierten Anordnung der Vorsprünge 12 zu
fixieren. Im Fall einer elastischen Deformation, wird die Spannung
freigegeben, wenn die Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur
erhöht
wird und die kollabierte Anordnung wird in die ursprüngliche
geordnete Anordnung übergehen.
Entsprechend kann an der Kontaktfläche durch die Temperaturerhöhung die
erhöhte
Haftfähigkeit
wieder hergestellt werden.
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1.2 Polymermaterialien mit einem vernetzten
permanenten Zustand und einem semikristallinen transienten Zustand
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Erfindungsgemäß können Polymere,
Polymerzusammensetzungen oder Polymerkomposite verwendet werden,
die eine Fähigkeit
zur partiellen Kristallisation aufweisen, wie zum Beispiel trans-Polyimid
(PI), vernetztes Polyethylen (PE) oder thermoplastische Elastomere.
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Beispielsweise
wird eine geordnete Anordnung der Vorsprünge 12 gemäß 3A mit dem vernetzten Polymer gebildet.
Durch die Vernetzung wird die Form der Vorsprünge (Zustand mit erhöhter Haftfähigkeit)
gespeichert. Um in den Zustand mit verminderter Haftfähigkeit
(3B) zu gelangen, wird eine mechanische
(elastische) Deformation bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des vernetzten Anteils der Vorsprünge 12 ausgeführt. Für Polymere
wie zum Beispiel vernetztes trans-PI oder PE wird die Deformation
bei einer Temperatur von zum Beispiel 80°C ausgeführt. Der Zustand mit verminderter
Haftfähigkeit
ist in diesem Fall der transiente Zu stand, der durch die mikrokristallinen
Teile fixiert wird, die im Polymer während des Abkühlvorgangs gebildet
werden. Um die erhöhte
Haftfähigkeit
einzustellen (3A), wird die strukturierte
Oberfläche
auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des vernetzten
Anteils des Polymers erwärmt.
Die Temperaturerhöhung
erfolgt unterhalb einer Obergrenze, bei der ein lateraler Kollaps
der Vorsprünge drohen
würde.
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1.3 Gemischte Polymerzusammensetzungen
oder phasengetrennte Block-Copolymere mit einer glasartigen und
einer semikristallinen Komponente
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Erfindungsgemäß können lineare
Block-Copolymere, wie zum Beispiel Polystyrol-Poly(1-buten) (PS-PB)
oder PU, mit harten und weichen Bestandteilen, oder Polyethylenterephthalat-Poly(ethylenoxid)
(PET-PEO), zur Bildung der Vorsprünge 12 verwendet werden.
Der permanente Zustand (z. B. 3A)
wird durch den glasartigen Zustand von einer der Komponenten (z.
B. PS, oder harter Bestandteil von PU, oder PET) gespeichert. Der
transiente Zustand (3B) wird durch
eine Deformation bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
der zweiten Komponente und ein anschließendes Abkühlen derart erreicht, dass
die Kristalle eine mikrokristalline Struktur fixieren. Entsprechend
wird die verminderte Haftfähigkeit
eingestellt. Die Schmelztemperatur der phasengetrennten Block-Copolymere liegt
zum Beispiel im Bereich von 40°C
bis 60°C.
Eine Wärmezufuhr
zur Temperaturerhöhung
bewirkt ein Schmelzen der mikrokristallinen Bereiche, so dass der
ursprüngliche
Zustand mit erhöhter
Haftfähigkeit (3A) eingestellt wird.
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1.4 Gemischte Polymerzusammensetzungen
oder phasengetrennte Block-Copolymere mit zwei glasartigen Komponenten
-
Gemäß einer
weiteren Alternative können Block-Copolymere
oder Polymermischungen verwendet werden, die zwei glasartige Komponenten zur
Einstellung verschiedener Formen der Vorsprünge und damit verschiedener
Haftfähigkeiten
enthalten. Die Vorsprünge 12 können zum
Beispiel aus PU mit harten und weichen Bestandteilen, wie zum Beispiel
Methylenbis(4-phenylisocyanat)
oder Bisphenol A als harter Bestandteil und methylenische oder oxymethylenische
Ketten als weicher Bestandteil, gebildet sein. In diesem Fall wird
der permanente Zustand (3A) durch
den glasartigen Zustand von einer der Komponenten (z. B. dem harten
Bestandteil von PU gespeichert. Der transiente Zustand (3B) wird durch eine Deformation bei einer
Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur
der zweiten Komponente und eine abschließende Abkühlung derart erreicht, dass
der glasartige Zustand der zweiten Komponente fixiert wird. Die
Glasübergangstemperatur
der zweiten Komponente liegt zum Beispiel im Bereich von 15°C bis 60°C. Die erhöhte Haftfähigkeit
wird durch eine Erwärmung
der strukturierten Oberfläche
oberhalb der Glasübergangstemperatur der
zweiten (weichen) Komponente eingestellt.
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2. Flüssigkristalline Elastomere
-
Erfindungsgemäß können nematische
oder smektische flüssigkristalline
Elastomere zur Bildung der Vorsprünge 12 der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche 11 verwendet
werden. Die Einstellung der Haftfähigkeit unter Verwendung dieser
Polymergruppe ist in 6 am Beispiel der Veränderung der
Neigungswinkel der Vorsprünge 12 illustriert.
Beispiele für
derartige Polymere, die ein biaxiales Formgedächtnis aufwei sen, werden zum
Beispiel von K. Hiraoka et al. in „Macromolecules" Band 38, 2005, S. 7352-7357 beschrieben.
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3. Schrumpf- und schwellfähige Polymermaterialien
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Zur
Einstellung der Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 entsprechend
der in den 4A und 4B gezeigten
Variante kann ein schrumpf- und schwellfähiges Polymermaterial, z.B. auf
der Basis von Polyethylen, oder einem Mehrschichtmaterial, z. B.
aus biaxial orientiertem PE, PP, Fluoropolymeren oder mehreren Schichten
PE geringer Dichte, verwendet werden. Geeignete Polymermaterialien
sind beispielsweise aus der Verpackungstechnik bekannt.
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4. Polymerkomposite, die metallische,
nicht-magnetische Partikel enthalten
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Wenn
eine Einstellung der Haftfähigkeit durch
eine Temperaturerhöhung
vorgesehen ist und das mit der strukturierten Oberfläche 11 ausgestattete
Bauteil oder ein angrenzendes Objekt für eine direkte Erwärmung nicht
geeignet sind, werden Polymermaterialien zum Beispiel gemäß 1. bis
3. verwendet, die mit metallischen, nicht-magnetischen Partikeln
beladen sind. Diese Polymerkomposite erlauben eine induktive Heizung,
die vorteilhafterweise unmittelbar auf die strukturierte Oberfläche 11 lokalisiert
ist und Schäden
am Bauteil oder den angrenzenden Objekt vermeidet. Die induktive
Heizung von Polymerzusammensetzungen wird beispielsweise von Mohr et
al. in „PNAS", Band 103, 2006,
S. 3540-3545 beschrieben.
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5. Magnetische Polymermaterialien
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Eine
weitere Variante zur Einstellung der Haftfähigkeit insbesondere bei temperaturempfindlichen
Systemen besteht in der Verwendung von Polymerkompositen mit magnetischen
Partikeln oder magnetischen Polymeren oder Polymerzusammensetzungen
zur Bildung der Vorsprünge.
Beispielsweise können
Polymere, denen magnetische Partikel, z. B. aus Magnetit oder Metalloxidkomplexen
zugesetzt sind, oder als inherent magnetisches Polymermaterial Polyacetylen
oder Zusammensetzungen mit alternierend sich wiederholenden Einheiten
aus Polyenen und Arenen, die in Meta-Position gekoppelt sind, verwendet
werden.
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Erfindungsgemäß kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass das Polymermaterial mit magnetischen Eigenschaften
im feldfreien Zustand die permanente Form mit erhöhter Haftfähigkeit
aufweist. Zur Einstellung einer verminderten Haftfähigkeit
kann ein Magnetfeld eingeschaltet werden, unter dessen Wirkung sich
beispielsweise die Neigungswinkel der Vorsprünge 12 (1) ändert. Alternativ
kann der permanente Zustand unter der Wirkung eines vorhandenen
Magnetfelds eingestellt sein, wobei in diesem Fall zur Einstellung
der Haftfähigkeit
das vorhandene Magnetfeld im Bezug auf die Intensität und/oder Richtung
geändert
wird.
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Gemäß einer
weiteren Alternative kann die Wirkung des Magnetfeldes an einen
thermischen Übergang
gekoppelt sein, wie er oben unter 1.1 beschrieben wurde. In diesem
Fall kann die Einstellung der Haftfähigkeit nicht nur in Abhängigkeit
von der Stärke
und/oder Richtung des Magnetfeldes, sondern auch in Abhängigkeit
von der Temperatur der Vorsprünge
eingestellt werden.
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Zur
Erzeugung des magnetischen Feldes für die z. B. in den 1, 3 oder 7 gezeigten Ausführungsformen
der Erfindung wird z. B. ein Permanentmagnet als Teil eines Zusatzwerkzeuges,
wie eines Transportwerkzeugs gemäß 8,
verwendet.
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6. Polare Polymermaterialien
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Erfindungsgemäß können die
Vorsprünge 12 und/oder
die Trägerschicht 13 der
strukturierten Oberfläche 11 aus
einem Polymermaterial gebildet sein, das zu einer Ausrichtung von
Polymerketten in Reaktion auf ein äußeres elektrisches Feld eingerichtet
ist (polares Polymermaterial). Das Polymermaterial enthält z. B.
Dipole, die sich im äußeren elektrischen
Feld ausrichten können.
Mit polaren Polymermaterialien können
beispielsweise die folgenden Varianten realisiert werden.
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6.1 Elastomer mit flüssigkristallinen Eigenschaften
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Unter
der Wirkung eines elektrischen Feldes können, wie in 6 beispielhaft
illustriert ist, flüssigkristalline
Elastomere oder Elastomere mit einem flüssigkristallinen Zusatz, die
nematische oder smektische Mesophasen aufweisen, eine mesogene Reorientierung
und Neigung in Abhängigkeit
vom elektrischen Feld aufweisen. Geeignete Polymermaterialien sind
beispielsweise Polymere auf der Grundlage von Siloxan, Acrylat oder
Methylenether mit flüssigkristallinen
Seitenketten oder kettenförmige
Polymere mit einem flüssigkristallinen
Zusatz geringen Molekulargewichts. Mit Monodomänen geeigneter Größe (vorzugsweise
entsprechend dem Vorsprungsquerschnitt, z. B. im Bereich von 10
nm3 bis einige μm3), wirkt
sich eine Kettenreorientierung in einer Änderung der äußeren Geometrie
des Polymermaterials aus. Vorteilhafterweise ist dieser Vorgang
reversibel und mit der Stärke
und/oder Richtung des elektrischen Feldes aktivierbar bzw. steuerbar.
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6.2 Selbstorganisierende Polymerschichten
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Die
Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 kann
gemäß 7 mit
einem Polymermaterial eingestellt werden, dass zur spontanen Bildung
einer strukturierten Oberfläche
in Abhängigkeit
von einem äußeren elektrischen
Feld eingerichtet ist (selbstorganisierendes Polymermaterial). Geeignete
Polymermaterialien werden beispielsweise von T. Thurn-Albrecht
et al. in „Macromolecules", Band 33, 2000,
S. 3250–3253 beschrieben.
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7. Strahlenempfindliche Polymermaterialien
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Die
erfindungsgemäße Veränderung
der Vorsprünge
einer strukturierten Oberfläche
kann eine strahleninduzierte, insbesondere lichtinduzierte geometrische Änderung
der Struktur eines Elastomeren oder eines flüssigkristallinen Elastomeren
oder eines Polymers mit einem strahlenempfindlichen Zusatz umfassen.
Durch die Bestrahlung können
chemische oder physikalische Eigenschaften des Polymermaterials
verändert
werden. Derartige Veränderungen umfassen
zum Beispiel eine Aktivierung oder Freigabe von lichtempfindlichen,
vernetzenden Molekülen in
dem Polymermaterial, eine Änderung
von Dipolmomenten, Konformationsänderungen, Änderungen der
intermolekularen Wechselwirkungen oder chemische Reaktionen (z.B.
Vernetzung). Durch die Bestrahlung kann sich die Geometrie der Vorsprünge, z. B.
durch eine Schrumpfung/Ausdehnung, eine Verbiegung oder eine Verdrehung
der Vorsprünge ändern.
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7.1 Polymere mit Photoisomeren
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Eine
erfindungsgemäße Veränderung
von Vorsprüngen
der strukturierten Oberfläche
kann eine Isomerisierung umfassen. Beispielsweise können Konformationsänderungen
von photoisomere sierbaren Vernetzungseinheiten durch eine Bestrahlung
induziert werden. Die Bestrahlung erfolgt mit einer Wellenlänge, die
in Abhängigkeit
von dem Absorptionsverhalten des Polymers, beispielsweise im UV-,
VIS- oder IR-Bereich gewählt.
Es kann beispielsweise eine cis-trans-Photoisomerisierung von Azobenzen durch
eine Bestrahlung bei 365 nm oder 436 nm vorgesehen sein. Der Isomerisierungsvorgang
bewirkt eine Längenreduzierung
von Polymerketten. Beispielsweise erfolgt in der Azobenzeneinheit
eine Längenreduzierung
der Ketten von 0,9 nm auf 0,55 nm. Alternativ können Konformationsänderungen
in Spirooxazinen oder Chromenen vorgesehen sein. Durch die Konformationsänderung
werden Vernetzungen zwischen Ketten aufgebaut, durch die in Abhängigkeit
von der Bestrahlung eine Ausdehnung oder ein Schrumpfen des Polymers
induziert werden kann.
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7.2 Polymermaterialien mit Photodimeren
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Analog
zu 7.1 kann durch eine strahlungsinduzierte Dimerisierung eine Schrumpfung
ausgelöst werden.
Beispielsweise kann in einem Polymer, das cinnamatische Gruppen
enthält,
die Teil der Polymerkette sind, eine Bestrahlung eine Dimerisierung
oder Vernetzung induzieren.
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7.3 Polymer mit lichtinduzierter Ladungserzeugung
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Erfindungsgemäß können die
Vorsprünge der
strukturierten Oberfläche
mit einem Polymermaterial gebildet sein, das einen Zusatz enthält, der
zur Ladungstrennung bei Bestrahlung eingerichtet ist. Der Zusatz
umfasst beispielsweise Triphenylmethan-Leuco-Derivate, welche bei
Bestrahlung mit UV-Licht in Innenpaare dissoziieren. Durch die bestrahlungsinduzierten
Ladungen kann es in den Vorsprüngen
zu einer elektrostatischen Abstoßung kommen, die eine makroskopische
Ausdehnung oder Schrumpfung des Materials bewirkt. Entsprechend kann
die Form oder Ausrichtung der Vorsprünge (siehe z. B. 1 oder 3)
durch eine Bestrahlung verändert
und entsprechend die Haftfähigkeit
der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
eingestellt werden.
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7.4 Polymere mit Formgedächtnis
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Gemäß einer
weiteren Variante können
die Vorsprünge
der strukturierten Oberfläche
aus Polymeren mit Licht-induziertem Formgedächtnis gebildet sein, wie sie
beispielsweise von A. Lendlein et al. in „Nature", Band 434, 2005,
S. 879-882, oder in „Adv. Mat.", Band 18, 2006, S. 1471-1475 beschrieben
sind.
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8. Polymermaterialien mit veränderlicher
Elastizität
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Die
Haftfähigkeit
der erfindungsgemäßen strukturierten
Oberfläche
kann durch eine Änderung des
Young-Moduls des Materials der Vorsprünge und/oder der Trägerschicht
moduliert werden. Durch eine Veränderung
der Elastizität
kann eine verendete Haftfähigkeit
eingestellt werden. Die Haftfähigkeit steigt
mit der Weichheit des Materials der Vorsprünge und/oder der Trägerschicht.
Der Young-Modul kann beispielsweise durch eine Temperaturänderung
oder die Gegenwart einer chemischen Substanz, wie zum Beispiel eines
Lösungsmittels
oder Wassers verändert
(vergrößert oder
verkleinert) werden. Durch die Gegenwart eines Lösungsmittels oder von Luftfeuchte
kann beispielsweise der Young-Modul von hygroskopischen Polymeren
oder Gelen, z. B. Polyacrylamid oder Polyether, verändert werden
(5).
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9. Polymermaterialien mit
veränderlicher
Oberflächenenergie
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Durch
die Gegenwart von Lösungsmitteln oder
Wasser oder durch eine Temperaturänderung können Polymere mit veränderlicher
Oberflächenenergie,
wie zum Beispiel phasengetrennte Polymere (Blockpolymere, Polymermischungen)
in ihren physikalischen oder chemischen Eigenschaften verändert werden.
Polymerketten, die an der Oberfläche
des Materials liegen, werden bei einer Änderung der Phasenkompatibilität der Bestandteile
dieser Polymere in Abhängigkeit
von der Temperatur, einem Lösungsmittel
oder Wasser verändert.
Im Ergebnis kann sich die Haftfähigkeit
der Oberfläche
vergrößern oder
verkleinern. Diese Veränderungen
können
mit mechanischen Veränderungen
zum Beispiel durch eine Veränderung
der Mikrostruktur des Polymermaterials kombiniert werden.
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Anwendungen der Erfindung
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8 illustriert
beispielhaft eine Anwendung der Erfindung in der Transporttechnik.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 mit
einer strukturierten Oberfläche 11 ist
an einem Transportwerkzeug 20 angeordnet. Das Transportwerkzeug 20 ist
mit einer Schalteinrichtung 22 ausgestattet, mit der physikalische
und/oder chemische Änderungen
der strukturierten Oberfläche 11 bewirkt
werden können.
Mit der Transporteinrichtung 20 können Objekte, wie zum Beispiel
Werkstücke 31 von
einer ersten Arbeitsstation 32 zu einer zweiten Arbeitsstation 33 transportiert werden.
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Der
Transportvorgang umfasst beispielsweise die folgenden Schritte.
Zunächst
wird das Transportwerkzeug 20 zu der ersten Arbeitsstation 32 bewegt.
Mit der Schalteinrichtung 22 wird eine erhöhte Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 eingestellt.
Das Bauteil 10 wird an das Objekt 31 angenä hert, bis
die Kontaktfläche
der strukturierten Oberfläche 11 die
Oberfläche
des Objekts 31 berührt.
Durch molekulare Wechselwirkungskräfte wird eine Haftverbindung
zwischen der strukturierten Oberfläche 11 und dem Objekt 31 erzeugt.
Mit dem Transportwerkzeug 20 wird das Objekt 31 an
die zweite Arbeitsstation 33 bewegt. An dieser wird die
Schalteinrichtung 22 betätigt, so dass die verminderte
Haftfähigkeit
der strukturierten Oberfläche 11 eingestellt wird.
Im Ergebnis wird das Objekt 31 freigegeben. Das Transportwerkzeug 20 kann
zu weiteren Verfahrensschritten zur ersten Arbeitsstation zurückbewegt werden.
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Entsprechende
Anwendungen sind z. B. in der Bautechnik, der Medizintechnik und
bei der Technik der Haushaltsartikel möglich.
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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.