DE602005000397T2

DE602005000397T2 - Nanostrukturierte Oberflächen mit variabler Permeabilität

Info

Publication number: DE602005000397T2
Application number: DE602005000397T
Authority: DE
Inventors: Timofei Nikita Warren Kroupenkine; Mary Louise Martinsville Mandich; Joseph Ashley Springfield Taylor
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2025-04-16
Also published as: CA2499595A1; KR20060047398A; CN1693184A; CN1693189B; US20060255171A1; EP1591415A3; KR101216979B1; JP2005349558A; EP1591415A2; US20050269743A1; DE602005000397D1; US7323033B2; JP5031199B2; EP1591415B1; US7695550B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein nanostrukturierte oder mikrostrukturierte Oberflächen und insbesondere nanostrukturierte oder mikrostrukturierte Oberflächen mit variabler Permeabilität.
Allgemeiner Stand der Technik
Viele nützliche Vorrichtungen oder Strukturen in unzähligen Anwendungen sind mindestens zum Teil dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Flüssigkeit oder ein anderes Fluid aufweisen, das mit mindestens einer festen Oberfläche oder Substrat in Kontakt ist. Viele dieser Vorrichtungen und Anwendungen sind durch eine Flüssigkeit, die sich bewegt, während sie sich in Kontakt mit einer Oberfläche befindet, gekennzeichnet. Da die Kennzeichen sowohl der Flüssigkeit als auch der Oberfläche die Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche bestimmen, ist es häufig wünschenswert, diese Kennzeichen zu verstehen und zu steuern, um die Steuerung der Wechselwirkung der Flüssigkeit mit diesen Oberflächen zu erreichen. Beispielsweise ist es oftmals wünschenswert, den Strömungswiderstand zu steuern, den die Flüssigkeit erfährt, wenn sie sich in Kontakt mit der Oberfläche befindet. Oberflächen, auf denen Flüssigkeiten oder Fluide einen sehr geringen Strömungswiderstand aufweisen, werden hierin als superhydrophobe Oberflächen bezeichnet.
1A bis 1E zeigen verschiedene veranschaulichende superhydrophobe Oberflächen, die unter Benutzung verschiedener Verfahren hergestellt sind. Spezifisch zeigen diese Figuren Substrate, die kleine Pfosten, als Nanopfosten und/oder Mikropfosten bekannt, mit verschiedenen Durchmessern und mit unterschiedlichen Graden an Regelmäßigkeit aufweisen. Ein veranschaulichendes Verfahren zum Herstellen von Nanopfosten und Mikropfosten, das sich in dem US-Patent Nr. 6,185,961 mit der Bezeichnung „Nanopost arrays and process for making same", erteilt am 13. Februar 2001 an Tonucci et al., findet, wird hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingebunden. Nanopfosten sind mittels verschiedener Verfahren, wie z.B. mittels Benutzung einer Matrize, mittels verschiedener Lithographiemittel und mittels verschiedener Ätzverfahren, hergestellt worden.
Wenn ein Tröpfchen einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, auf ein Substrat mit einem zweckmäßig gestalteten, nanostrukturierten oder mikrostrukturierten Merkmalsmuster aufgebracht wird, ist der Strömungswiderstand, den das Tröpfchen erfährt, im Vergleich zu einem Tröpfchen auf einem Substrat ohne solche Nanostrukturen oder Mikrostrukturen drastisch verringert. Oberflächen mit solchen zweckmäßig gestalteten Merkmalsmustern sind der Gegenstand des Aufsatzes mit dem Titel „Nanostructured Surfaces for Dramatic Reduction of Flow Resistance in Droplet-based Microfluidics", J. Kim und C. J. Kim, IEEE Conf. MEMS, Las Vegas, NV, Jan. 2002, S. 479 bis 482, der hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin eingebunden wird. Diese Literaturquelle beschreibt allgemein, wie durch Benutzung von Oberflächen mit vorbestimmten Nanostrukturmerkmalen der Strömungswiderstand gegenüber der Flüssigkeit in Kontakt mit der Oberfläche in hohem Maße verringert werden kann. Spezifisch lehrt die Literaturquelle von Kim, daß durch Versehen der Oberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt ist, mit einem feinen Muster und Benutzen des oben erwähnten Prinzips der Flüssigkeitsoberflächenspannung ein Flüssigkeitströpfchen, das auf der Oberfläche angeordnet ist, auf den oberen Enden des Nanostrukturmusters getragen wird, wie in 2 gezeigt. Es wird auf 2 Bezug genommen, in der das Tröpfchen 201 einer geeigneten Flüssigkeit (in Abhängigkeit von der Oberflächenstruktur) ermöglichen wird, daß das Tröpfchen 201 auf den oberen Enden der Nanopfosten 203 ohne Kontakt zwischen dem Tröpfchen und der darunterliegenden festen Oberfläche in der Schwebe gehalten wird. Dies ergibt eine äußerst geringe Kontaktfläche zwischen dem Tröpfchen und der Oberfläche 202 (d.h., das Tröpfchen ist nur mit dem oberen Ende jedes Pfostens 203 in Kontakt) und folglich einen geringen Strömungswiderstand.
In vielen Anwendungen ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, das Eindringen einer gegebenen Flüssigkeit, wie z.B. des Tröpfchens 201 in 2, in eine gegebene nanostrukturierte oder mikrostrukturierte Oberfläche, wie z.B. die Oberfläche 202 in 2, und somit den Strömungswiderstand, der auf diese Flüssigkeit ausgeübt wird, sowie die Benetzungseigenschaften der festen Oberfläche zu steuern. 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wobei Electrowetting benutzt wird, um das Eindringen einer Flüssigkeit in eine nanostrukturierte Oberfläche zu steuern. Solch ein Electrowetting ist der Gegenstand der ebenfalls abhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/403,159, eingereicht am 31/03/2003, und mit der Bezeichnung „Method and Apparatus for Controlling the Movement of a Liquid on a Nanostructured or Microstructured Surface", die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden wird. Es wird auf 3A Bezug genommen, worin ein Tröpfchen 301 von leitfähiger Flüssigkeit auf einem Nanostruktur-Merkmalsmuster aus kegelförmigen Nanopfosten 302, wie oben beschrieben, angeordnet ist, derart, daß die Oberflächenspannung des Tröpfchens 301 dazu führt, daß das Tröpfchen auf dem oberen Abschnitt der Nanopfosten 302 in der Schwebe gehalten wird. In dieser Anordnung bedeckt das Tröpfchen nur den Oberflächenbereich f₁ jedes Nanopfostens. Die Nanopfosten 302 werden von der Oberfläche eines leitfähigen Substrats 303 getragen. Das Tröpfchen 301 ist veranschaulichend über den Leiter 304 mit einer Spannungsquelle 305 mit dem Substrat 303 elektrisch verbunden. Ein veranschaulichender Nanopfosten ist in 4 in weiteren Einzelheiten gezeigt. In dieser Figur ist der Nanopfosten 302 durch das Material 401, wie z.B. eine isolierende Schicht aus dielektrischem Material, von der Flüssigkeit (301 in 3A) elektrisch isoliert. Der Nanopfosten ist ferner durch ein Material mit niedriger Oberflächenenergie 402, wie z.B. ein gut bekanntes Fluorpolymer, von der Flüssigkeit getrennt. Solch ein Material mit niedriger Oberflächenenergie ermöglicht es, einen geeigneten Anfangs-Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche des Nanopfostens zu erhalten. Dem Fachmann wird offensichtlich sein, daß anstatt des Benutzens von zwei separaten Schichten aus unterschiedlichem Material eine einzelne Schicht aus Material, das eine hinreichend niedrige Oberflächenenergie und hinreichend gute Isoliereigenschaften aufweist, benutzt werden könnte.
3B zeigt, daß beispielsweise aus dem Anlegen einer niedrigen Spannung (z.B. 10 bis 20 Volt) an das leitfähige Flüssigkeitströpfchen 301 eine Spannungsdifferenz zwischen der Flüssigkeit 301 und den Nanopfosten 302 resultiert. Der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche des Nanopfosten wird vermindert, und bei einem hinreichend niedrigen Kontaktwinkel bewegt sich das Tröpfchen 301 in der y-Richtung längs der Oberfläche der Nanopfosten 302 hinab und dringt in das Nanostruktur-Merkmalsmuster ein, bis es jeden der Nanopfosten 302 vollständig umgibt und in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Substrats 303 kommt. In dieser Anordnung bedeckt das Tröpfchen den Oberflächenbereich f₂ jedes Nanopfostens. Da f₂ >> f₁ ist, ist die gesamte Kontaktfläche zwischen dem Tröpfchen 301 und den Nanopfosten 302 verhältnismäßig groß, und demzufolge ist der Strömungswiderstand, den das Tröpfchen 301 erfährt, größer als in der Ausführungsform der 3A. Daher wird das Tröpfchen 301, wie in 3B gezeigt, bei Abwesenheit einer anderen Kraft, die ausreichend ist, das Tröpfchen 301 von dem Merkmalsmuster zu verdrängen, bezogen auf das Nanostruktur-Merkmalsmuster praktisch stationär. Solch eine Steuerung ist zum Teil der Gegenstand der ebenfalls abhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/403,159, eingereicht am 31. März 2003, mit der Bezeichnung „Method and Apparatus for Variably Controlling The Movement Of A Liquid On A Nanostructured Surface", die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden wird.
In einem noch anderen früheren Versuch wird anstatt Nanopfosten oder Mikropfosten eine geschlossenzellige, nanostrukturierte oder mikrostrukturierte Oberfläche in einer derartigen Weise benutzt, daß, wenn der Druck eines Fluids in einer oder mehreren der Nanozellen oder Mikrozellen der Oberfläche vermindert wird, bewirkt wird, daß eine Flüssigkeit, die auf dieser Oberfläche angeordnet ist, in die Oberfläche eindringt und somit beispielsweise der Strömungswiderstand, den das Tröpfchen erfährt, vergrößert wird. Solch eine geschlossenzellige Struktur ist deshalb vorteilhaft, weil durch Erhöhen des Drucks in einer oder mehreren der Zellen auf oder über ein gewünschtes Maß die Flüssigkeit wieder aus der (den) Zelle(n) herausgedrängt und mindestens zum Teil in ihre ursprüngliche, nichteindringende Position mit niedrigem Strömungswiderstand zurück geführt wird. Auf diese Weise kann das Eindringen des Tröpfchen in die Oberfläche variiert werden, um ein gewünschtes Maß des Strömungswiderstandes zu erreichen, den das Flüssigkeitströpfchen erfährt. Solch ein reversibles Eindringen ist zum Teil der Gegenstand der ebenfalls abhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/674,448, eingereicht am 30. September 2003, mit der Bezeichnung „Reversible Transitions on Dynamically Tunable Nanostruktured or Microstructured Surfaces", die ebenfalls hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden wird.
Kurzdarstellung der Erfindung
In frühere Versuche, wie z.B. diejenigen, die oben beschrieben sind, war entweder das Verringern des Strömungswiderstandes einer Flüssigkeit in Kontakt mit einer Oberfläche oder das Bewirken des Eindringens einer Flüssigkeit zwischen Nanostrukturen oder Mikrostrukturen auf einer Oberfläche, um beispielsweise die Flüssigkeit in Kontakt mit der darunterliegenden Oberfläche zu bringen, einbezogen. Die betreffenden Erfinder haben jedoch festgestellt, daß es außer dem Verringern des Strömungswiderstandes oder des Bewirkens eines solchen Eindringens wünschenswert sein kann, unter bestimmten Umständen zu ermöglichen, daß eine Flüssigkeit oder andere Fluide durch das Substrat, das die Nanostrukturen oder Mikrostrukturen trägt, hindurchtritt.
Daher haben wir ein Verfahren und eine Vorrichtung erfunden, wobei ein nanostrukturiertes Substrat mehrere Nanostrukturen mit mehreren Substratöffnungen umfaßt, die zwischen diesen Nanostrukturen angeordnet sind. Wenn ein gewünschtes Fluid in Kontakt mit dem Substrat kommt, wird mindestens einem Teil des Fluids ermöglicht, durch mindestens eine der Öffnungen hindurchzutreten. In einer ersten Ausführungsform wird bewirkt, daß das Fluid durch die Öffnungen hindurchtritt, indem bewirkt wirkt, daß das Fluid mittels Verfahren wie derjenigen, die oben beschrieben sind, in die Nanostrukturen eindringt. In einer zweiten Ausführungsform ist das Substrat ein flexibles Substrat, derart, daß, wenn eine mechanische Kraft auf das Substrat ausgeübt wird, wie z.B. eine Biege- oder eine Streckkraft, sich der Abstand zwischen Nanopfosten oder der Durchmesser von Nanozellen auf dem Substrat vergrößert. Bei einer solchen Vergrößerung wird einer Flüssigkeit somit ermöglicht, in die Nanopfosten oder Nanozellen einzudringen und demzufolge durch die Substratöffnungen hindurchzutreten. In einer dritten Ausführungsform schließlich wird verhindert, daß ein erstes Fluid, wie z.B. Wasser, in die Nanostrukturen auf dem Substrat eindringt, wie oben beschrieben, während einem zweiten Fluid, wie z.B. einem Dampf oder Gas, ermöglicht wird, durch die Öffnungen in dem Substrat durch das Substrat hindurchzutreten.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1A, 1B, 1C, 1D und 1E zeigen verschiedene Nanostruktur-Merkmalsmuster von vordefinierten Nanostrukturen des Standes der Technik, die zur Benutzung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind,
2 zeigt eine veranschaulichende Vorrichtung des Standes der Technik, wobei ein Flüssigkeitströpfchen auf einem nanostrukturierten Merkmalsmuster angeordnet ist,
3A und 3B zeigen eine Vorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wobei Electrowetting-Prinzipien angewendet werden, um zu bewirken, daß ein Flüssigkeitströpfchen in ein Nanostruktur-Merkmalsmuster eindringt,
4 zeigt die Einzelheit eines veranschaulichenden Nanopfostens des Nanostruktur-Merkmalsmusters der 3A und 3B,
5 zeigt eine veranschaulichende Flüssigkeitszellenbatterie, wobei der Elektrolyt in der Batterie durch Nanostrukturen von der negativen Elektrode getrennt wird,
6 zeigt die veranschaulichende Batterie von 5, wobei bewirkt wird, daß der Elektrolyt in der Batterie in die Nanostrukturen eindringt und somit mit der negativen Elektrode in Kontakt kommt,
7A und 7B zeigen eine veranschaulichende Nanozellenanordnung,
8 zeigt eine nanostrukturierte Oberfläche gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die Öffnungen zwischen den Nanostrukturen aufweist,
9 zeigt die Batterie von 5, die eine Oberfläche wie die Oberfläche von 8 aufweist,
10 zeigt, wie die Oberfläche von 8 benutzt werden könnte, um das Eindringen von Flüssigkeit in die Oberfläche zu verhindern, während gleichzeitig ermöglicht wird, daß ein Fluid durch die Oberfläche hindurchtritt, und
11A und 11B zeigen, wie bewirkt werden könnte, daß ein Fluid durch Biegen oder Strecken der Oberfläche in eine nanostrukturierte Oberfläche eindringt.
Ausführliche Beschreibung
5 zeigt eine Anwendung der Ausführungsformen von 3A und 3B, wobei ein Elektrolytfluid in einer Batterie von einer Elektrode getrennt wird, bis die Batterie aktiviert wird. Solch eine Batterie ist zum Teil der Gegenstand der ebenfalls abhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10/803,641, eingereicht am 18. März 2004, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingebunden wird. In 5 weist die Batterie 501 ein Elektrolytfluid 502 auf, das von einem Gehäuse umschlossen ist, das die Kapselwände 503 aufweist. Das Elektrolytfluid 502 ist mit der positiven Elektrode 504 in Kontakt, von der negativen Elektrode 508 jedoch durch die nanostrukturierte Oberfläche 507 getrennt. Die nanostrukturierte Oberfläche 507 kann die Oberfläche der negativen Elektrode oder alternativ eine Oberfläche sein, die an die negative Elektrode gebunden ist. Der Fachmann wird erkennen, daß die nanostrukturierte Oberfläche mit ähnlich vorteilhaften Ergebnissen auch in Assoziation mit der positiven Elektrode benutzt werden könnte. In 5 wird das Elektrolytfluid auf den oberen Enden der Nanopfosten der Oberfläche in der Schwebe gehalten, ähnlich dem Tröpfchen in 3A. Die Batterie 501 wird beispielsweise in den elektrischen Stromkreis 505 mit dem Verbraucher 506 eingeführt. Wenn die Elektrolytflüssigkeit 502 nicht mit der negativen Elektrode in Kontakt ist, erfolgt im Wesentlichen keine Reaktion zwischen dem Elektrolyten und den Elektroden 504 und 508 der Batterie 501.
6 zeigt die Batterie 501 von 5 in den elektrischen Stromkreis 505 eingefügt, wobei unter Benutzung der oben beschriebenen Electrowetting-Prinzipien eine Spannung an die nanostrukturierte Oberfläche 507 angelegt ist, wodurch bewirkt wird, daß das Elektrolytfluid 502 in die Oberfläche 507 eindringt und mit der negativen Elektrode 508 in elektrischen Kontakt kommt. Der Fachmann wird erkennen, daß diese Spannung von jeder beliebigen Anzahl von Quellen, wie z.B. durch Senden eines oder mehrerer Impulse von HF-Energie durch die Batterie, erzeugt werden kann. Wenn das Eindringen des Elektrolyten in die Nanostrukturen erfolgt, beginnen Elektronen in Richtung 601 durch den Stromkreis 505 zu fließen, wie oben beschrieben, und der Verbraucher 506 wird mit Energie versorgt.
Wie typischerweise definiert, ist eine „Nanostruktur" eine vordefinierte Struktur mit mindestens einer Dimension, die kleiner als ein Mikrometer ist, und ist eine „Mikrostruktur" eine vordefinierte Struktur mit mindestens einer Dimension, die kleiner als ein Millimeter ist. Obwohl die offenbarten Ausführungsformen Nanostrukturen und nanostrukturierte Oberflächen betreffen, beabsichtigen die betreffenden Erfinder jedoch, und dies wird dem Fachmann offensichtlich sein, daß sie in vielen Fällen durch Mikrostrukturen ersetzt werden können. Demgemäß definieren die betreffenden Erfinder hiermit, daß Nanostrukturen sowohl Strukturen, die mindestens eine Dimension aufweisen, die kleiner als ein Mikrometer ist, als auch diejenigen Strukturen umfassen, die mindestens eine Dimension aufweisen, die kleiner als ein Millimeter ist. Der Ausdruck „Merkmalsmuster" bezeichnet entweder ein Muster von Mikrostrukturen oder ein Muster von Nanostrukturen. Ferner werden die Ausdrücke „Flüssigkeit", „Tröpfchen" und „Flüssigkeitströpfchen" hierin als untereinander austauschbar benutzt. Jeder dieser Ausdrücke bezeichnet eine Flüssigkeit oder einen Teil einer Flüssigkeit, ob in Tröpfchenform oder nicht.
7A und 7B zeigen eine dreidimensionale Ansicht bzw. eine Querschnittsdraufsicht einer Nanozellenanordnung. Wie in der Anmeldung 803, 641, hierin oben einbezogen, beschrieben, kann solch eine Nanozellenanordnung benutzt werden, um ein reversibles Eindringen einer Flüssigkeit, wie z.B. des Elektrolytfluids 502 in 5, in die nanostrukturierte Oberfläche 507 und aus ihr heraus zu erreichen. Speziell in 7A und 7B wird anstatt Nanopfosten eine Anzahl von geschlossenen Zellen 701, hier veranschaulichende Zellen mit einem sechseckigen Querschnitt, benutzt. Jede Zelle 701 kann beispielsweise eine Elektrode 702 aufweisen, die längs der Innenwand der Zelle angeordnet ist. wie hierin benutzt, ist der Ausdruck geschlossene Zelle definiert als eine Zelle, die von allen Seiten umschlossen ist, mit der Ausnahme derjenigen Seite, die vorgesehen ist, um eine Flüssigkeit, wie z.B. eine Elektrolytflüssigkeit, darauf anzuordnen. Solche geschlossenen Zellen sind deswegen vorteilhaft, weil eine Flüssigkeit, die in den Zellen angeordnet ist, beispielsweise durch Erhöhen des Drucks in den Zellen aus den Zellen herausgedrängt werden kann. Der Fachmann wird erkennen, daß viele gleichermaßen vorteilhafte Zellkonfigurationen und -geometrien möglich sind, um gleichermaßen wirksame geschlossenzellige Anordnungen zu erhalten.
Bisherige nanostrukturierte Oberflächen, wie z.B. diejenigen, die hierin oben erörtert wurden, wurden typischerweise benutzt, um entweder den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit, die auf den Nanostrukturen angeordnet war, zu verringern und/oder zu bewirken, daß die Flüssigkeit zu einem gewünschten Zeitpunkt in die Nanostrukturen eindrang und in Kontakt mit dem darunterliegenden Substrat kam, wie in dem Fall der Batterieausführungsform der 5 und 6. Die betreffenden Erfinder haben jedoch festgestellt, daß es in vielen Anwendungen wünschenswert ist, einer Flüssigkeit selektiv zu ermöglichen, durch das darunterliegende Substrat, auf dem Nanostrukturen angeordnet sind, hindurchzutreten. Solch eine Oberfläche, die solch ein selektives Hindurchtreten einer Flüssigkeit durch die Oberfläche ermöglicht, ist in 8 gezeigt. Spezifisch zeigt 8 eine nanostrukturierte Oberfläche 801 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wobei mehrere Öffnungen 802, die durch das darunterliegende Substrat 803 hindurchführen, zwischen den Nanostrukturen 804 auf diesem Substrat angeordnet sind. Die Nanostrukturen, hier Nanopfosten, sind veranschaulichend 300 nm im Durchmesser und 7 Mikrometer hoch, und die Öffnungen sind veranschaulichend 2 Mikrometer im Durchmesser. Der Fachmann wird erkennen, daß viele geeignete Dimensionen für unterschiedliche Anwendungen von Oberflächen, die derjenigen ähnlich sind, die in 8 gezeigt ist, ausgewählt werden können. Gleichermaßen wird der Fachmann auch erkennen, daß die Nanostrukturen auf vielen geeigneten Substraten, wie z.B. einem Substrat, das aus einem Polymermaterial hergestellt ist, angeordnet werden können. So wird, wie gestaltet und hierin oben erörtert, wenn eine Flüssigkeit auf den Nanostrukturen angeordnet ist, wie in 3A gezeigt ist, die Flüssigkeit nicht in die Nanostrukturen eindringen. Wenn jedoch bewirkt wird, daß die Flüssigkeit in die Nanostrukturen eindringt und in Kontakt mit dem darunterliegenden Substrat 803 kommt, ähnlich dem Beispiel, das in 3B gezeigt ist, wird die Flüssigkeit durch die Öffnungen in dem Substrat hindurchtreten.
9 zeigt eine veranschaulichende Ausführungsform gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung einer Batterie, ähnlich derjenigen, die in 5 gezeigt ist, wobei eine Oberfläche mit Öffnungen in vorteilhafter Weise benutzt wird. Spezifisch wird mit Bezug auf 5, wie in der Anmeldung 803, 641 umfassender erörtert, die Batterie, die in dieser Figur dargestellt ist, zum Teil durch Anordnen mehrerer Nanostrukturen auf der Oberfläche einer der Elektroden, veranschaulichend der negativen Elektrode 508 in 5, hergestellt. Das Anordnen von Nanostrukturen auf solch einer Elektrode kann jedoch aufgrund von Verfahrensschwierigkeiten oder mit der Herstellung solch einer Oberfläche verbundenen Kosten unerwünscht sein. Daher haben die betreffenden Erfinder herausgefunden, daß es wünschenswert ist, eine separate nanostrukturierte Oberfläche aus Materialien herzustellen, auf denen es beispielsweise potentiell weniger kostspielig und/oder technologisch einfacher ist, Nanostrukturen zu erzeugen.
9 zeigt daher, wie die Oberfläche von 8 innerhalb einer Batterieanwendung benutzt werden könnte. Spezifisch wird mit Bezug auf 9 das Elektrolytfluid 502 wiederum durch Nanostrukturen von der Elektrode 508 getrennt. Anstatt daß die Nanostrukturen direkt auf der Elektrode 508 angeordnet sind, sind die Nanostrukturen 804 jedoch auf dem Substrat 803 angeordnet, wie in 8 gezeigt ist, das wiederum an der Elektrode 508 befestigt ist, entweder direkt, wie in 8 gezeigt, oder indirekt. Die Größe der Öffnungen wird in einer derartigen Weise ausgewählt, daß, wenn bewirkt wird, daß der Elektrolyt in die Nanostrukturen 804 eindringt, der Elektrolyt durch die Öffnungen 802 in 2 durch das Substrat 803 hindurchdringt und in Kontakt mit der Elektrode 508 kommt, wodurch die chemische Reaktion mit der Batterie eingeleitet wird. Der Fachmann wird erkennen, wie in der Anmeldung 803, 641 umfassender erörtert, daß anstelle von Nanopfosten die Nanozellen von 7A und 7B benutzt werden können. In solch einem Fall könnten die Zellen 701 von 7 veranschaulichend mit Öffnungen in beiden Enden der Nanozellen hergestellt werden. Alternativ könnte sich eine einzelne Öffnung über mehrere Zellen erstrecken. Daher könnte, wenn die Nanozellenanordnung beispielsweise an der Elektrode 508 in 9 befestigt ist, dasselbe Ergebnis erzielt werden, als wenn Nanopfosten benutzt würden. Spezifisch wird, wenn bewirkt wird, daß der flüssige Elektrolyt in die Nanozellen eindringt, die Flüssigkeit den gesamten Weg durch die Zellen durchlaufen und in Kontakt mit der Elektrode 508 kommen, wodurch eine chemische Reaktion innerhalb der Batterie eingeleitet wird. Die Nanozellenanordnung kann veranschaulichend in einer derartigen Weise an der Elektrode befestigt sein, daß die Elektrode ein Ende der Zellen völlig bedeckt und somit praktisch eine geschlossenzellige Anordnung erzeugt, deren eines Ende offen ist und deren anderes Ende aufgrund ihrer Befestigung an der Elektrodenoberfläche völlig verschlossen ist. Demzufolge kann, wie oben und in der Anmeldung 803, 641 umfassender erörtert, der Elektrolyt zu einem gewünschten Zeitpunkt beispielsweise durch Erhöhen des Drucks innerhalb der Zellen aus den Zellen herausgedrängt werden.
10 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, bei der die nanostrukturierte Oberfläche 801 von 8 benutzt wird. Spezifisch ist, wie in 10 gezeigt, das Substrat 803 derart gestaltet, daß, wenn ein Tröpfchen 1001 einer Flüssigkeit, das in Kontakt mit der Oberfläche 801 kommt, dieses Tröpfchen auf den Spitzen der Nanostrukturen 804 angeordnet bleibt und somit über dem darunterliegenden Substrat 803 in der Schwebe gehalten wird. Auf diese Weise angeordnet, wird das Tröpfchen 1001 folglich nicht durch die Öffnungen 802 hindurchtreten. Bei bestimmten praktischen Umsetzungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß einer Flüssigkeit oder einem Fluid, daß sich in der Richtung 1002 bewegt, ermöglicht wird, durch das Substrat 803 hindurchzutreten. Mit solch einer Oberfläche könnte beispielsweise flüssigkeitsfeste, atmungsaktive Kleidung erzeugt werden. Spezifisch könnte die Oberfläche 801, die in 10 gezeigt ist, zwischen zwei Schichten von Stoff eingenäht oder in einer anderen Weise in einem Bekleidungsgegenstand angeordnet werden, in weitgehend derselbe Weise wie bei dem wasserfesten, atmungsaktiven Fluorpolymerstoff, der unter der Handelsbezeichnung Goretex^® von W. L. Gore & Associates, Inc. aus Newark, Delaware hergestellt und verkauft wird. Solch eine Kleidung würde verhindern, daß eine Flüssigkeit, wie z.B. das Wasser in Regentropfen, in die Nanostrukturen eindringt und daher zu dem darunterliegenden Substrat durchdringt. Daher würde verhindert, daß Regen sich in der Richtung 1003 bewegt und die Haut des Trägers der Kleidung erreicht. Während es wünschenswert ist zu verhindern, daß Regen in den Stoff eindringt, ist es jedoch wünschenswert, anderen Fluiden, wie z.B. dem verdunsteten Schweiß des Trägers, zu ermöglichen, in der entgegengesetzten Richtung 1002 durch den Stoff hindurchzutreten. Solch ein Fluid könnte in der Richtung 1002 durch die Öffnungen 1004 in dem Stoff leicht hindurchtreten.
Somit würde ein wasserfester, atmungsaktiver Stoff resultieren.
Der Fachmann wird erkennen, daß solch ein Stoff in vorteilhafter Weise in anderen Bekleidungsanwendungen, wie z.B. in Hochleistungs-Schwimmanzügen, benutzt werden könnte. In jüngster Zeit ist viel Forschung hinsichtlich Schwimmanzügen mit geringem Widerstand betrieben worden, die beispielsweise den Widerstand verringern, den professionelle Schwimmer erfahren, wenn sie sich durch das Wasser bewegen. Wie oben erörtert, ist ein Vorteil nanostrukturierter Oberflächen, daß sie, wenn sie zweckmäßig gestaltet sind, einen sehr geringen Strömungswiderstand zwischen einer Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, und der nanostrukturierten Oberfläche erzeugen. Wenn die Oberfläche 801 von 8 als der äußere Stoff in einem Schwimmanzug benutzt würde, würde sie bei der Bewegung eines Schwimmers durch das Wasser zu einem geringen Strömungswiderstand führen und gleichzeitig ermöglichen, daß der Schweiß durch den Stoff austritt, wie oben erörtert.
11 zeigt eine andere Ausführungsform gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, wobei einer Flüssigkeit ermöglicht werden könnte, in die Nanostrukturen einer Oberfläche einzudringen, wenn diese Oberfläche eine mechanische Kraft, wie z.B. eine Biege- oder eine Streckkraft, erfährt. Spezifisch ist das Substrat 1102 der nanostrukturierten Oberfläche 1108 aus einem flexiblen Polymermaterial hergestellt. Verschiedene Polymermaterialien, die zu diesem Zweck nützlich sind, werden dem Fachmann angesichts der Lehren hierin offensichtlich sein. Mit Bezug auf 11A sind die oberen Enden der Nanostrukturen 1101, hier Nanopfosten, durch einen Abstand 1105 getrennt. Wie oben erörtert, mit Bezug auf 11A, verbleibt ein Tröpfchen 1104 einer zweckdienlich gewählten Flüssigkeit, wenn es auf den Nanostrukturen 1101 angeordnet wird, oben auf den Strukturen und wird über dem Substrat 1102 in der Schwebe gehalten. Wenn mit Bezug auf 11B die Oberfläche in die Richtungen 1109 gebogen oder gestreckt wird, vergrößert sich jedoch der Abstand zwischen den Nanostrukturen 1101 auf den Abstand 1106. Demzufolge wird bei einem bestimmten Abstand in Abhängigkeit von der Flüssigkeit die Oberflächenspannung dieser Flüssigkeit nicht ausreichend sein, um die Flüssigkeit auf den Spitzen der Nanostrukturen 1101 zu halten. Demzufolge wird sich die Flüssigkeit 1104 bei diesem bestimmten Abstand in die Richtungen 1107 zwischen die Nanostrukturen 1101 bewegen und in Kontakt mit dem Substrat kommen. Wie oben erörtert, werden die Öffnungen 1103, wenn die Flüssigkeit 1104 in Kontakt mit dem Substrat 1102 kommt, mindestens einem Teil der Flüssigkeit ermöglichen, durch dieses Substrat hindurchzutreten.
Die nanostrukturierte Oberfläche, die von 11A und 11B dargestellt ist, kann, veranschaulichend, in Behältern nützlich sein, die zur Aufnahme von Flüssigkeiten vorgesehen sind. Spezifisch könnte eine Oberfläche, wie z.B. die Oberfläche 1108 in 11A, für einen Abschnitt einer oder mehrerer Wände solch eines Behälters benutzt werden. Wenn der Druck innerhalb des Behälters bei oder unter einem gewünschten Druck ist, wird die Flüssigkeit von den Nanostrukturen in der Schwebe gehalten, und daher wird keine Flüssigkeit durch die Oberfläche hindurchtreten. Wenn der Druck innerhalb des Behälters jedoch auf eine vorbestimmte Stufe steigt, wird die Oberfläche gestreckt und der Abstand zwischen den Nanostrukturen sich ändern, wie in dem Beispiel von 11B. Daher wird Flüssigkeit durch die nanostrukturierte Oberfläche hindurchtreten, bis sich der Druck innerhalb des Behälters bis zu dem Punkt verringert, an dem die Oberfläche nicht gestreckt ist und der Abstand zwischen den Nanostrukturen mindestens teilweise wiederhergestellt ist. Auf diese Weise kann der Druck innerhalb eines Flüssigkeit enthaltenden Behälters auf oder unter einem gewünschten Druck gehalten werden.
Obiges veranschaulicht lediglich die Prinzipien der Erfindung. Man wird daher verstehen, daß der Fachmann in der Lage sein wird, verschiedene Vorrichtungen zu entwerfen, welche, obwohl hierin nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und sich innerhalb deren Gedanke und Umfang befinden. Beispielsweise wird der Fachmann angesichts der Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen hierin erkennen, daß die Prinzipien der vorliegenden Erfindung in weit auseinanderstrebenden Gebieten und Anwendungen benutzt werden können. Beispielsweise wird der Fachmann erkennen, daß permeable nanostrukturierte Oberflächen, die hierin offenbart sind, in vorteilhafter Weise in einer Brennstoffzelle benutzt werden könnten, um den Brennstoff bis zu einem gewünschten Zeitpunkt von dem Rest des Systems zu trennen. Andere Anwendungen wird der Fachmann in hohem Maße zu schätzen wissen.
Alle Beispiele und Konditionalsprache, die hierin vorgetragen sind, sollen ausdrücklich nur pädagogischen Zwecken dienen, um den Leser dabei zu unterstützen, die Prinzipien der Erfindung zu verstehen, und sollen nicht als die spezifisch vorgetragenen Beispiele und Bedingungen einschränkend aufgefaßt werden. Überdies sollen alle Aussagen hierin, die Gesichtspunkte und Ausführungsformen der Erfindung vortragen, sowie spezifische Beispiele dafür, funktionsfähige Entsprechungen davon umfassen.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein Substrat (1102) mit mehreren Öffnungen (1103); und mehrere Nanostrukturen (1101), die auf mindestens einer ersten Oberfläche des Substrates angeordnet sind, wobei die mehreren Öffnungen (1103) zwischen mindestens einem Teil der Nanostrukturen (1101) in den mehreren Nanostrukturen in einer derartigen Weise angeordnet sind, daß, wenn mindestens ein erstes Fluid (1104) in die Nanostrukturen eindringt, mindestens ein Teil des Fluids durch mindestens eine der mehreren Öffnungen hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen den Nanostrukturen und dem mindestens einen Fluid in einer derartigen Weise, daß das mindestens eine erste Fluid in die Nanostrukturen eindringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zum Vergrößern mindestens eines ersten Abstandes zwischen den Nanostrukturen in einer derartigen Weise, daß das mindestens eine erste Fluid in die Nanostrukturen eindringt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zum Vergrößern mindestens einer ersten Dimension der Nanostrukturen in einer derartigen Weise, daß das mindestens eine erste Fluid in die Nanostrukturen eindringt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine erste Dimension den Durchmesser mindestens einer ersten Nanostruktur umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nanostrukturen Nanopfosten umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Nanostrukturen Nanozellen umfassen.
Verfahren zur Benutzung bei einem Substrat (1102) mit mehreren Nanostrukturen (1101), die darauf angeordnet sind, wobei das Substrat ferner mehrere Öffnungen (1103) aufweist, die zwischen mindestens einem Teil der Nanostrukturen der mehreren Nanostrukturen angeordnet sind, wobei das Verfahren umfaßt: Verformen der Gestalt (1109) des Substrates in einer derartigen Weise, daß mindestens eine erste Dimension, die sich auf die Nanostrukturen bezieht, sich ändert, wobei bei dem Ändern mindestens einer ersten Dimension eine Flüssigkeit (1104), die auf den Nanostrukturen angeordnet ist, in die Nanostrukturen eindringt und durch mindestens einen Teil der mehreren Öffnungen (1107) hindurchtritt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Verformens das Strecken oder Biegen des Substrates umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Nanostrukturen Nanopfosten umfassen.