ES2299711T3

ES2299711T3 - Procedimiento para la modificacion de la superficie de un cuerpo solido y superficies microestructuradas de adhesion incrementada preparadas a partir de este.

Info

Publication number: ES2299711T3
Application number: ES03740150T
Authority: ES
Inventors: Eduard Arzt; Stanislav Gorb; Huajian Gao; Ralf Spolenak
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2008-06-01
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: WO2003099951A3; ATE383409T1; US8153254B2; US20060005362A1; AU2003273166A1; EP1513904A2; WO2003099951A2; DE10223234B4; DE10223234A1; DE50308973D1; AU2003273166A8; EP1513904B1

Abstract

Procedimiento para la modificación de la superficie de un objeto (10) a fin de incrementar la capacidad de adhesión del objeto, en el que la superficie (11) se somete a una estructuración, de modo que se crea una multitud de protuberancias (12), que se forman respectivamente con una parte basal (15) y una cabeza, en las que la cabeza posee una cara frontal (13) alejada de la superficie y todas las caras frontales (13) poseen la misma altura perpendicular sobre la superficie (11) y forman una superficie de contacto (14) adherente, interrumpida por las distancias recíprocas entre las caras frontales(13), caracterizado porque las protuberancias (12) se forman elásticas e inclinadas respecto a la superficie, a partir de un material cuya elasticidad o resistencia a la flexión se reduce al menos en una de las direcciones de referencia, que comprenden una dirección longitudinal de cada protuberancia (12) desde la parte basal (15) hasta la cabeza, y una dirección transversal de cada protuberancia axialmente desde el centro de la parte basal (15) hacia fuera.

Description

Procedimiento para la modificación de la superficie de un cuerpo sólido y superficies microestructuradas de adhesión incrementada preparadas a partir de éste.

La invención se refiere a procedimientos según el preámbulo de la reivindicación 1, en particular a procedimientos para la microestructuración de superficies de cuerpos sólidos, procedimientos para la preparación de un ensamblaje a partir de objetos con superficies modificadas, objetos con superficies modificadas para incrementar la adhesión y uniones establecidas con tales objetos.

Las uniones por adhesión entre materiales del mismo o de distinto tipo que, por un lado, crean fuerzas adhesivas predeterminadas y fiables y, por otro lado, son separables de forma reversible, poseen una gran importancia en la técnica. Las aplicaciones comprenden, por ejemplo, la unión separable de componentes por medio de uniones adhesivas tipo velcro, la manipulación de objetos por medio de herramientas, el soporte magnético de objetos, los elementos de unión en productos textiles y la fijación temporal de objetos (por ejemplo, hojas de papel) en el ámbito de la oficina. Se han desarrollado numerosas técnicas de unión adaptadas especialmente a la tarea correspondiente. Por ejemplo, en la técnica de automatización se conoce el montaje de objetos en manipuladores de forma reversible con uniones por succión y su movimiento con éstos. Sin embargo, tales uniones por succión tienen un coste técnico considerable. Además, es posible también establecer uniones por adhesión reversibles con adhesivos. Sin embargo, esto posee desventajas, en cuanto a la limitada compatibilidad química, dado el caso, de los materiales unidos con el adhesivo usado y en cuanto a la formación de residuos.

También se conocen uniones por adhesión sin residuos que se basan, en particular, en una modificación química y/o mecánica de las superficies de los materiales que han de unirse. Por ejemplo, en la patente US 5755913 se describen distintas posibilidades para una modificación química de capas de polímero, con el fin de aumentar su capacidad de adhesión. Los componentes superficiales de una capa de polímero se modifican, por ejemplo, mediante tratamiento químico o irradiación, de tal modo que se presentan puntos de unión libres, interacciones electrostáticas, interacciones iónicas u otros fenómenos de unión. Una desventaja importante de la modificación química consiste en su limitación a determinados materiales poliméricos.

De las patentes US 6099939, US 6107185 y US 4615763 son conocidas modificaciones mecánicas de las superficies que, esencialmente, se basan en hacer dichas superficies rugosas. Esto tiene lugar, por ejemplo, mediante un mordentado selectivo. Debido a la modificación de la morfología superficial deberá aumentar la superficie adherente efectiva del material. Por otra parte, una desventaja de esta técnica consiste en su limitación a determinados materiales, por ejemplo, polímeros. Además, estos materiales deben ser suficientemente blandos, ya que de lo contrario se impide la formación de contactos, precisamente por las elevaciones máximas en la superficie rugosa. Finalmente, las técnicas para hacer rugosa la superficie son difíciles de controlar, de modo que fuerzas adhesivas cuantitativamente definidas pueden ajustarse solamente con limitaciones.

De la patente WO 99/32005 se conoce la modificación de las superficies de objetos mediante un elemento de fijación que consta de un soporte en forma de capa y protuberancias en forma de bastón. El soporte se pega sobre el objeto que ha de modificarse, de modo que las protuberancias sobresalen en el espacio y ocasionan un anclaje con una superficie de otro objeto modificada de manera correspondiente. Por tanto, el elemento de fijación no constituye una unión por adhesión, sino un anclaje mecánico. Las protuberancias en forma de bastón deben prepararse necesariamente con una elevada estabilidad y con la geometría adecuada. De este modo, las protuberancias poseen unas dimensiones de sección transversal características y distanciadas entre sí en el intervalo milimétrico. Para el establecimiento de una unión por adhesión fiable debe utilizarse adicionalmente un adhesivo.

La modificación de la morfología superficial de cuerpos sólidos es conocida también en otros contextos técnicos. Por ejemplo, en los documentos WO 96/04123 y WO 00/50232 se describe un efecto de autolimpieza de superficies con una estructura de elevaciones y depresiones. Se ha demostrado que las superficies estructuradas a partir de polímeros hidrófobos con dimensiones de estructuración típicas por encima de 5 \mum poseen un efecto reductor de la adhesión.

Las investigaciones de los inventores han demostrado que en el curso de la evolución se han desarrollado también en la naturaleza sistemas de adhesión que permiten a los insectos, por ejemplo, caminar sobre superficies en cualquier orientación o, en determinadas condiciones, fijar partes del cuerpo entre sí. Estos sistemas de adhesión se basan en la formación de vellosidades muy finas, por ejemplo, en las patas de los insectos, como explican, por ejemplo, M. Scherge y S. N. Gorb en "Biological Micro- and Nanotribology" (Springer-Verlag).

Se han desarrollado también sistemas de adhesión basados en microestructuras adhesivas siguiendo la investigación de las estructuras formadas en las patas del lagarto (véase la patente WO 01/49776). Sin embargo, estos intentos de usar técnicamente los sistemas de adhesión del lagarto han quedado limitados a la transferencia de las estructuras del lagarto a objetos técnicos o a sus réplicas geométricas sintéticas. Sin embargo, la simple réplica de las estructuras del lagarto posee la desventaja de que la aplicación de los correspondientes sistemas de adhesión se limita a superficies lisas ideales y presenta desventajas en cuanto a las fuerzas adhesivas y a la aplicación en superficies reales, en particular rugosas o fractales.

El objetivo de la invención es hacer disponibles procedimientos mejorados para la modificación de superficies con los que se incrementa la capacidad de adhesión de las superficies modificadas y con los que se evitan las desventajas de las técnicas convencionales. El procedimiento según la invención debe permitir, en particular, la formación de uniones por adhesión separables para una gama ampliada de materiales y superficies, un aumento de la capacidad de adhesión a superficies reales, dado el caso irregulares, y el ajuste de fuerzas adhesivas o propiedades adhesivas predeterminadas. Otro objetivo de la invención es hacer disponible un procedimiento para la preparación de un ensamblaje compuesto por varios objetos, cuyas superficies han sido modificadas para incrementar la capacidad de adhesión. Otros objetivos de la invención consisten en hacer disponibles modificaciones superficiales mejoradas que permitan un aumento de la capacidad de adhesión.

Estos objetivos se consiguen mediante procedimientos y superficies estructuradas con las características según las reivindicaciones 1 ó 29. Las formas de realización y aplicaciones ventajosas de la invención se deducen de las reivindicaciones subordinadas.

Según una característica importante del procedimiento descrito en esta invención para la modificación de la superficie de un objeto, se prevé que la superficie se someta a una estructuración mediante la formación de una multitud de protuberancias, cada una con una cara frontal, en que las protuberancias se dimensionan de tal modo que todas las caras frontales poseen la misma altura perpendicular sobre la superficie y, por tanto, forman una superficie de contacto adherente, que se halla interrumpida únicamente por las distancias recíprocas o huecos entre las caras frontales. Con esta medida, la superficie cerrada original (sin modificar) se transforma en una superficie de contacto en la que las caras frontales forman una multitud de contactos individuales (denominados microcontactos). Ventajosamente, mediante esta división en microcontactos se obtiene un aumento de la adhesión, como ha podido demostrarse mediante experimentos y las consideraciones teóricas mencionadas a continuación. Este resultado es sorprendente, ya que la superficie de contacto, como suma de las caras frontales, parece ofrecer a primera vista una superficie de adhesión menor que la superficie original sin modificar. No obstante, la capacidad de adhesión aumenta, en lo que ésta puede incluso ajustarse de manera predeterminada a las exigencias de la aplicación correspondiente. La disposición de las caras frontales con una altura perpendicular constante sobre la superficie posee la ventaja adicional de que la unión por adhesión no se debilita por microcontactos sobresalientes.

Según la invención, las protuberancias están formadas inclinadas respecto a la superficie. Debido a la inclinación de las protuberancias, al formarse una unión por adhesión entre dos objetos, se aplica una componente de cizalladura en la formación del contacto, mediante la que se incrementa la capacidad de adhesión. La inclinación, la elasticidad, el dimensionado y/o los parámetros de elasticidad explicados más adelante de las protuberancias pueden optimizarse ventajosamente, según la aplicación.

Según un primer punto de vista importante, el objetivo de la invención mencionado anteriormente se consigue al formar las protuberancias inclinadas respecto a la superficie a partir de un material elástico con un gradiente del módulo de elasticidad. Si se reduce la rigidez a la flexión de las protuberancias hacia su extremo libre y/o radialmente en sentido transversal a sus alargamientos longitudinales, resultan las siguientes ventajas. Los inventores han comprobado que se forma una unión por adhesión con una fuerza de atracción positiva entre la superficie estructurada y un cuerpo adyacente cuando la ganancia de energía por la adhesión de la superficie de contacto al cuerpo es mayor que la energía elástica necesaria para la flexión de las protuberancias. Mediante la generación del gradiente de elasticidad o del gradiente de rigidez a la flexión se reduce ventajosamente la energía elástica necesaria para la flexión de las protuberancias, de modo que el efecto de adhesión positivo se consigue más fácilmente. Esta ventaja se acentúa especialmente en la aplicación de la invención a superficies estructuradas irregulares reales, en particular rugosas. En tales superficies se presentan irregularidades que conducen a una flexión de las protuberancias. Mediante la introducción según la invención del gradiente de elasticidad se reduce la pérdida de energía por la flexión en las protuberancias y con ello se mejora la adhesión.

Si, según una forma de realización preferida de la invención, el gradiente del módulo de elasticidad se forma entre un valor de elasticidad superior y un valor de elasticidad inferior, en que el valor de elasticidad superior se halla entre 10 MPa y 10 GPa y el valor de elasticidad inferior entre 20 kPa y 10 MPa, pueden resultar ventajas en cuanto a una inflexión especialmente blanda de las protuberancias y, con ello, para una ganancia de adhesión especialmente elevada.

Según otra manera preferida de realización de la invención se prevé que las protuberancias se formen con un módulo elástico efectivo, cuya magnitud depende del módulo de elasticidad del material de dichas protuberancias, su densidad superficial y sus dimensiones geométricas longitudinales y transversales, en lo que el módulo elástico efectivo se ajusta a un valor en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa. Por otra parte, mediante esta medida se reduce la pérdida de energía por la flexión de las protuberancias en las superficies reales y con ello se mejora el efecto de adhesión.

Las protuberancias de la estructura superficial formada según la invención forman preferentemente un ángulo en el intervalo de 89º a 45º, en particular de 80º a 40º, respecto a la orientación local de la superficie estructurada. Sorprendentemente, se ha demostrado que incluso un ángulo mínimo de las protuberancias conduce a una flexión de dichas protuberancias en la dirección deseada al formarse el contacto con un cuerpo adyacente. Al ajustar este ángulo de inclinación pueden resultar ventajas para una mejor adaptación de la superficie de contacto a una superficie
real.

Una superficie de contacto se forma por la totalidad de las caras frontales. Al establecer una unión por adhesión, la superficie de contacto toca la superficie del otro objeto respectivo, sin que se produzca un anclaje y sin un engranaje de las protuberancias. La unión por adhesión tiene lugar por medio de las fuerzas de van der Waals. Otras contribuciones pueden ser aportadas por fuerzas electrostáticas o fuerzas capilares. Las distancias entre las protuberancias son inferiores a las dimensiones de sección transversal de las caras frontales.

Según una forma de realización preferida de la invención, las protuberancias están dispuestas de tal modo que las caras frontales forman un patrón regular (o una retícula). A diferencia de la manera convencional de hacer rugosa una superficie, la disposición periódica de protuberancias tiene la ventaja de que se evitan puntos débiles en la unión por adhesión y se obtiene una homogenización de los contactos.

Según otras maneras ventajosas de realización de la invención, la superficie de contacto se forma de modo que las distancias recíprocas entre caras frontales contiguas son inferiores a 10 \mum, en particular inferiores a 5 \mum (por ejemplo, 4 \mum o menos). Además, las caras frontales poseen preferentemente unas dimensiones de sección transversal características inferiores a 5 \mum. Estos dimensionados, que pueden realizarse conjunta o independientemente y que se refieren, dado el caso, únicamente a una orientación de referencia, poseen la ventaja de un aumento especial de la adhesión. La elección de un dimensionado se orienta según la fuerza adhesiva concreta que ha de obtenerse. Para una superficie total de microcontactos dada, la fuerza adhesiva aumenta con la raíz de la cantidad de microcontactos. Con las superficies modificadas según la invención pueden unirse entre sí de forma fiable incluso objetos macroscópicos, por ejemplo herramientas, sin que el peso de uno de los objetos pueda interrumpir la unión por adhesión.

Según un modo de realización ventajoso de la invención, las caras frontales de las protuberancias, que conjuntamente constituyen la superficie de contacto, poseen respectivamente una forma de cara frontal abovedada, que se realiza preferentemente con una forma semiesférica, una forma cilíndrica, una forma tórica y/o una forma de cubeta. La forma de las caras frontales puede variar dentro de la multitud de protuberancias. La configuración de la forma de cara frontal abovedada, que han resultado primeramente de los cálculos realizados por los inventores, posee la ventaja de que, debido a las geometrías mencionadas, se mejora la fuerza adhesiva de los contactos individuales. Al ponerse en contacto con un cuerpo adyacente, las caras frontales abovedadas en la dirección del alargamiento longitudinal de las protuberancias hacia fuera o en dirección opuesta proporcionan una pérdida de energía reducida en la compresión y un crecimiento efectivo de la superficie para el aumento de las superficies de adhesión de los contactos
individuales.

Estas ventajas se acentúan en especial cuando las protuberancias se conforman mediante caras frontales redondas con un diámetro en el intervalo de 20 nm a 20 \mum y un radio de curvatura de la forma de cara frontal que se elige entre la mitad del valor del diámetro de la cara frontal y 5 mm.

Según otra variante de la invención se prevé que las protuberancias se formen con cabezas que representan, en cada caso, una extensión en forma de membrana o de paleta de las partes basales, en lo que el espesor de las cabezas es inferior al espesor de las partes basales. Esta configuración presenta la ventaja especial de que las cabezas se flexionan más fácilmente que las partes basales de las protuberancias y, por ello, pueden ponerse en contacto con la superficie de un cuerpo adyacente con una pérdida menor de energía en el contacto entre la superficie estructurada y dicho cuerpo adyacente. La flexión posterior de las cabezas tiene lugar también conforme a la inclinación de las protuberancias hacia la superficie estructurada.

Todas las cabezas se flexionan con la misma orientación respecto a las partes basales, de modo que, ventajosamente, se alcanza una asimetría de la estructura de contacto. Al someter la unión por adhesión a un esfuerzo en una dirección opuesta a la orientación de las cabezas, la fuerza de sujeción es mayor que en el caso de un esfuerzo en una dirección correspondiente a la dirección de las cabezas flexionadas. Esta diferencia de la fuerza de sujeción proporciona fuerzas tangenciales adicionales que pueden aprovecharse efectivamente en una combinación simétrica especular de estructuras de sujeción inclinadas en dirección opuesta.

Según una manera preferida de realización de la invención, las cabezas en forma de membrana poseen un espesor en el intervalo de 5 nm a 100 nm y dimensiones laterales (longitud, anchura) en el intervalo de 20 nm a 1.000 nm. Ajustando estos parámetros geométricos pueden obtenerse fuerzas de sujeción especialmente elevadas para una influencia reducida de las protuberancias contiguas.

Si las cabezas en forma de membrana están constituidas, según una variante especialmente ventajosa de la invención, con un módulo de elasticidad en el intervalo de 10 MPa a 10Gpa, la pérdida de energía en la puesta en contacto de la superficie estructurada con un cuerpo adyacente se reduce ventajosamente aún más.

Otra característica importante de la invención, que puede realizarse ventajosamente para los dos puntos de vista del ajuste de la elasticidad anteriormente mencionados, es el ajuste de una relación de aspectos especialmente alta, es decir, de la relación entre longitud y espesor de las protuberancias de al menos 5:1. El ajuste de una alta relación de aspectos presenta la ventaja de una flexión flexible de las protuberancias al establecer el contacto con el cuerpo adyacente.

Otra característica importante de la invención consiste en la creación de una estructura superficial jerárquica, en la que respectivamente sobre las caras frontales de las protuberancias se forman a su vez protuberancias con caras frontales, que, por su parte, soportan protuberancias, dado el caso, con otras caras frontales estructuradas. La estructura superficial jerárquica presenta la ventaja siguiente.

En el caso de sistemas de adhesión para adherir determinados cuerpos a superficies lisas, los contactos de la superficie pueden adaptarse en sí de manera óptima en cuanto a su elasticidad y a la geometría. Sin embargo, esto se aplica únicamente para superficies lisas ideales. Por el contrario, las superficies reales tienen una estructura fractal, de tal modo que se presentan irregularidades, rugosidades y ondulaciones a distintas escalas de longitud. Las irregularidades poseen dimensiones típicas que se extienden en un espectro de frecuencias locales de mm, pasando por los \mum, hasta el intervalo nanométrico. Debido a la mencionada estructuración y subestructuración jerárquica de las protuberancias, la superficie estructurada según la invención se adapta de manera óptima a la superficie real. Para cada parte del espectro de frecuencias locales de las irregularidades del cuerpo adyacente, la superficie estructurada según la invención proporciona una estructura de contacto adaptada al desarrollo superficial del cuerpo adyacente.

Resulta ser especialmente ventajoso cuando la estructura jerárquica comprende al menos tres niveles estructurales, en los que las caras frontales de las protuberancias en la superficie estructurada portan respectivamente protuberancias de estructura fina, cuyas caras frontales están dotadas de subestructuras. Cuando las protuberancias de subestructura poseen un espesor en el intervalo de 5 nm a 200 nm, las protuberancias de estructura fina se forman preferentemente con un espesor de 10 a 100 veces mayor y las protuberancias (principales), a su vez, con un espesor de 10 a 100 veces mayor. La superficie estructurada se adapta de manera óptima mediante el ajuste de estos parámetros geomé-
tricos.

Según un punto de vista importante de la invención, las protuberancias de estructura fina y/o subestructura se preparan por un procedimiento de flocado electrostático, conocido en sí de la industria textil (véanse, por ejemplo, las patentes EP 158721, DD 156825). La aplicación de este procedimiento posee la ventaja especial de que la estructuración puede realizarse con gran precisión y reproducibilidad.

En caso de que, según otro modo de realización de la invención, las protuberancias, cuyos extremos libres constituyen la superficie de contacto de la estructura adhesiva, comprendan protuberancias de distintos tipos que representan una distribución de distintas formas, materiales, propiedades de elasticidad y/o tamaños de dichas protuberancias, es posible crear ventajosamente debido a esta variabilidad, una estructura adhesiva universal que se sujeta sobre cualquier superficie.

Según la invención, la estructuración puede estar integrada en la superficie de un objeto o integrada con un soporte en forma de capa mediante una técnica de microestructuración. En el último caso el soporte se hace adherente, por ejemplo, mediante una superficie modificada según la invención o se fija sobre un objeto mediante un adhesivo.

Según la invención, las protuberancias o al menos las caras frontales pueden estar modificadas para aumentar la capacidad de adhesión de los microcontactos, mediante una modificación química de las caras frontales y/o la aplicación de un adhesivo adicional o un líquido con tensión superficial (fuerza de capilaridad).

Una ventaja especial de la invención consiste en que no existen limitaciones en cuanto al tipo de superficies de sólidos modificadas. De este modo, las superficies de contacto según la invención pueden formarse, en particular, en materiales poliméricos, metales, aleaciones, semiconductores, cuerpos sólidos dieléctricos o cerámicas.

Otro objeto de la invención es un procedimiento para el establecimiento de una unión entre dos objetos, de los que al menos un objeto se ha modificado en al menos un sector de su superficie conforme al procedimiento mencionado anteriormente. Este procedimiento se caracteriza porque la superficie de contacto formada en al menos un objeto se une con el otro objeto. A diferencia de las superficies modificadas convencionalmente, esta unión tiene lugar sin anclajes. No se forma ningún anclaje mecánico entre las protuberancias. La superficie de contacto de un objeto toca una superficie de contacto o una superficie sin modificar del otro objeto.

Otro objeto de la invención es la preparación de una superficie estructurada de un cuerpo sólido con una capacidad de adhesión aumentada que se caracteriza, en particular, por la superficie de contacto descrita anteriormente compuesta por una multitud de microcontactos.

La invención posee las siguientes ventajas adicionales. La capacidad de adhesión de las superficies de contacto se incrementa considerablemente en comparación con las superficies modificadas convencionalmente. Se alcanzan capacidades de adhesión de hasta 10^{5} N/m^{2} (radio de contacto esférico de 1 \mum) o de hasta 10^{7} N/m^{2} (radio de contacto esférico de 10 nm). Las superficies modificadas según la invención permiten uniones por adhesión inertes sin residuos, aplicables tanto en las microtecnologías como también con objetos macroscópicos. La microestructuración según la invención puede prepararse con bajo coste con las técnicas de estructuración en sí disponibles.

A continuación se describen otras ventajas y particularidades de la invención con referencia a los dibujos incluidos. Éstos muestran:

la fig. 1: una ilustración esquemática de la formación de una superficie de contacto según la invención,

la fig. 2: una ilustración de la descripción teórica de las protuberancias inclinadas de una superficie modificada según la invención,

la fig. 3: representaciones de curvas para ilustración de las propiedades de elasticidad optimizadas de superficies de contacto formadas según la invención,

las fig. 4 a 10: ilustraciones esquemáticas de características importantes de estructuras superficiales creadas según la invención correspondientes a distintas formas de realización de la invención,

las fig. 11 a 13: vistas en sección esquemáticas de distintas formas de realización de superficies estructuradas según la invención,

las fig. 14 a 16: vistas en planta esquemáticas de distintas configuraciones de superficies de contacto, y

la fig. 17: una herramienta dotada con una superficie modificada según la invención.

Fundamentos teóricos

A continuación se describe el aumento de la capacidad de adhesión por la creación de una multitud de microcontactos mediante el ejemplo de caras frontales de forma semiesférica. Esto sirve únicamente para la ilustración del efecto conseguido según la invención, pero no supone una limitación a la geometría de las caras frontales utilizadas como modelo. Más bien, las caras frontales pueden poseer alternativamente otras formas, en particular aplanadas, tal como se explica a continuación.

La teoría de contacto clásica describe el contacto de una cara frontal de forma semiesférica con un sustrato duro y plano en primer lugar conforme a la denominada ecuación de Hertz, según:

(1)d^{3} = (12 \cdot RF) / E\text{*}

Donde, R es el radio de la semiesfera, F es la fuerza de compresión ejercida, E* un módulo de elasticidad medio y d el diámetro del microcontacto entre la cara frontal de forma semiesférica y el sustrato. Cuando se consideran los efectos de adhesión entre el sustrato y la cara frontal, resulta una ecuación modificada conforme a la denominada teoría de JRK (Johnson, Kendall y Roberts, 1971):

(2)d^{3} = [(12 \cdot RF) / E\text{*}] \{F + 3\pi R\gamma + [6\pi R\gamma F + (3\pi R\gamma)^{2}]^{1/2}\}

En esta ecuación se considera adicionalmente la energía de adhesión \gamma. A partir de la teoría de JRK resulta una fuerza de separación finita según la ecuación siguiente

(3)F_{c} = 3/2 \cdot \pi R\gamma

La ecuación (3) muestra que, sorprendentemente, la fuerza de adhesión F_{c} es proporcional al contorno del microcontacto. De ello se deduce que una división de una superficie en principio cerrada, sin modificar en una multitud de microcontactos aumenta la fuerza de adhesión según la ecuación (4):

(4)F'{}_{c} = (n)^{1/2} \cdot F_{c}

En la ecuación (4), n es el número de microcontactos. Por tanto, la fuerza de adhesión puede aumentarse por la formación de microcontactos. Este concepto, que también se designa como aumento de la adhesión por multiplicidad de microcontactos, se ilustra esquemáticamente en la fig. 1.

La fig. 1 muestra en la parte izquierda un objeto 10 en vista lateral (arriba) y en vista en planta de la superficie inferior sin estructurar 11' (abajo). En la parte derecha de la fig. 1 se ilustra la microestructuración de la superficie prevista según la invención 11 para generar una multitud de protuberancias 12. Cada protuberancia 12 forma una cara frontal 13 en su lado alejado del objeto 10. Las caras frontales 13 forman una multitud de microcontactos. Los microcontactos 13 forman una superficie de contacto 14, que se halla interrumpida por los espacios entre las caras frontales 13 y, conforme a las consideraciones expuestas anteriormente, posee una fuerza de adhesión incrementada en comparación con la superficie sin estructurar 11'.

Preferentemente, las dimensiones geométricas de las protuberancias 12 se eligen de la manera siguiente: distancias entre las caras frontales: 1 nm a 10 \mum, en particular menos que 5 \mum (por ejemplo, 4 \mum o menos), dimensión de sección transversal de las caras frontales (al menos en la dirección del esfuerzo principal lateral, véase más adelante): 1 nm a 5 \mum, y altura: por ejemplo, en el intervalo micrométrico, según la aplicación y la técnica de estructuración. Más adelante se explican a título de ejemplo distintas formas de diseño de las protuberancias 12 con referencia a las figuras 4 a 6.

Otra mejora de la fuerza de adhesión resulta si con las protuberancias 12 se aplica adicionalmente una fuerza de cizalladura, tal como se explica a continuación con referencia a las figuras 2 y 3.

La protuberancia 12 se considera como una banda flexible que en la formación del contacto con un cuerpo adyacente está inclinada en un ángulo \alpha respecto a la superficie del mismo 11. La fuerza de separación F está relacionada con el trabajo de rotura de las fuerzas de van der Waals w según la ecuación (5):

(5)wt\delta\alpha = F \ (1 - cos\alpha) \ \delta\alpha + (F^{2} / Eht) / \delta\alpha

En la ecuación (5), t es el ancho de la banda, h es el espesor de la banda, E es el módulo de Young (módulo de elasticidad) de la parte flexionada y \delta\alpha es una pequeña flexión infinitesimal de la protuberancia 12. El espesor es la dimensión de sección transversal de la protuberancia conforme a la orientación de la inclinación respecto a la superficie. La resolución de la ecuación de segundo grado (5) da como resultado la fuerza de separación según la ecuación (6):

(6)F = 2wt / \{[(1 - cos\alpha)^{2} + \lambda]^{1/2} + (1 - cos\alpha)\}, \ en \ que \lambda = 4w / Eh

En la ecuación (6), \lambda representa un parámetro de elasticidad que depende del trabajo de rotura, del módulo de Young y del espesor h de la protuberancia 12. Una ventaja especial de la invención consiste en la posibilidad de optimización de una superficie estructurada con relación al parámetro \lambda (véase más adelante).

La magnitud que interesa para la adhesión entre dos cuerpos en contacto es la proyección vertical de la fuerza F, que puede representarse según la ecuación (7).

(7)W = 2wtsen\alpha / \{[(1 - cos\alpha)^{2} + \lambda]^{1/2} + (1 - cos\alpha)\}

Se demuestra que la elasticidad posee una gran importancia para la fuerza de separación vertical W, en particular para pequeñas dimensiones de la protuberancia y para módulos de Young bajos. Los parámetros típicos que se eligen conforme a los sistemas adhesivos biológicos son:

w \approx 10 ... 40 / mJ/m^{2},

\hskip0.3cm

E \approx 1 MPa,

\hskip0.3cm

h \approx 1 / \mu m,

\hskip0.3cm

\lambda \approx 0,04

\hskip0.3cm

...

\hskip0.3cm

0,16

En la fig. 3 se ilustra el comportamiento del parámetro W/wt en función de distintos ángulos de inclinación \alpha. Para bajos parámetros de elasticidad \lambda, la fuerza de separación depende fuertemente del ángulo de inclinación. Para un intervalo medio de aproximadamente 0,04 a 0,16, la dependencia del ángulo de inclinación es relativamente baja, es decir, la fuerza de separación vertical es prácticamente constante. Para valores mayores de \lambda, se reduce la fuerza de separación.

Por tanto, según la invención, las protuberancias se forman preferentemente con un parámetro \lambda tal que la fuerza de separación vertical es en lo posible independiente del ángulo. Ventajosamente, esto conduce a una gran robustez de las uniones por adhesión. Una gran robustez se manifiesta en que la solidez del contacto es independiente del ángulo \alpha y en que una separación parcial de la unión no conduce automáticamente a una separación total.

Dado que el parámetro de elasticidad \lambda depende tanto del espesor t de la protuberancia, como también del módulo de elasticidad de Young, la estructuración puede optimizarse según el sistema de material usado y la geometría de la estructura. Por ejemplo, si se realiza la estructuración de la superficie de un material semiconductor duro (por ejemplo Si) con un alto valor de E, se prefiere un espesor t pequeño en el intervalo nanométrico. En el caso de materiales más blandos (plástico) con un bajo valor de E, el espesor puede elegirse mayor, en el intervalo micrométrico.

Para aplicaciones prácticas se prefiere un ángulo de inclinación \alpha = 20º a 40º, en particular 30º, para el que la fuerza de separación vertical es máxima. Esto corresponde a un ángulo respecto a la normal a la superficie de 80º a 50º, en particular 60º.

Ejemplos de realización de superficies estructuradas según la invención

La figura 4 ilustra una vista de sección ampliada y esquemática de una estructura superficial formada según la invención, en la que se prevé una multitud de protuberancias inclinadas 12, respectivamente con una parte basal 15, cuyo extremo libre forma una cabeza 16 con una cara frontal 13. La inclinación de las protuberancias 12 es de gran importancia para la adhesión de las estructuras a superficies técnicas (superficies con rugosidad fractal), ya que las protuberancias muestran mayor elasticidad en estado inclinado y requieren menos energía para su flexión (minimización de la energía elástica almacenada). A diferencia de las protuberancias derechas, previstas en las estructuras de adhesión convencionales, se evita el alto consumo de energía que sería necesario para la deformación por compresión de una estructura derecha.

El ángulo de inclinación \phi se elige, por ejemplo, en el intervalo de 45º a 89º, en particular de 60º a 80º.

Según la invención, en las protuberancias 12 se forma un gradiente de elasticidad, cuyas variantes se ilustran en la figura 5. Según la parte izquierda de la figura 5, la flexibilidad se reduce continuadamente desde la parte basal 15 hacia la cara frontal 13.

Esto se consigue mediante el ajuste de un módulo de elasticidad E_{2} en la parte basal de, por ejemplo, 2 GPa, que se reduce hasta la cara frontal 13 a un valor de, por ejemplo, 20 kPa. Consiguientemente, el material (por ejemplo, polímero) es más blando a lo largo de la protuberancia 12 hacia el extremo libre (cara frontal 13) o más rígido en la dirección contraria. Alternativa o adicionalmente, según la parte derecha de la figura 5 se prevé un gradiente radial con el que puede reducirse asimismo la energía elástica al flexionar las protuberancias 12. Por ejemplo, la protuberancia 12, que se muestra en vista de sección ampliada en la parte derecha de la figura 5 con una sección redonda, está formada con un módulo de elasticidad E_{2} en el interior de, por ejemplo, 2 GPa, que se reduce hacia fuera, hasta la superficie lateral de la protuberancia 12 a un valor E_{1} de, por ejemplo, 20 kPa.

En la figura 6 se muestran otras características de estructuras según la invención con protuberancias inclinadas 12 con una rigidez a la flexión optimizada. Para una alta relación de aspectos (el cociente entre la longitud a de las protuberancias 12 y su anchura en la dirección de inclinación o diámetro b) de al menos 5, la energía elástica necesaria para el esfuerzo de flexión se reduce. Los parámetros a y b se eligen preferentemente en los intervalos siguientes: a: 2.000 nm a 200 \mum, b: 20 nm a 10 \mum.

El valor recíproco de la relación de aspectos a/b determina esencialmente también el denominado módulo elástico efectivo E* = E \cdot Nb^{2} \cdot (b/a)^{2}, en que E es el módulo de elasticidad del material de las protuberancias 12 y N es la densidad superficial de las estructuras de contacto. La densidad superficial es, por ejemplo, de 10^{6} a 10^{7} cm^{-2}. Por ejemplo, el módulo de elasticidad de poliamida es de 2 GPa. La magnitud E* se ajusta preferentemente en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa.

La figura 7 muestra, además de la cara frontal plana 13 (parte a de la figura, correspondiente a la figura 4), variantes de cabezas 16 con formas de caras frontales que pueden describirse como semiesfera (partes b, c, f de la figura), cilindro o toroide (parte d de la figura) o forma de cubeta (parte e de la figura). Los diámetros de las protuberancias 12 se hallan, por ejemplo, en el intervalo de 20 nm a 20 \mum, en lo que los radios de curvatura de las partes b y c de la figura se eligen en el intervalo desde 5 mm hasta la mitad del diámetro de la protuberancia. En la parte a de la figura el radio de curvatura es de tamaño infinito. Las formas cilíndrica o tórica (parte d de la figura) se caracterizan por una conformación cóncava de la cara frontal con un diámetro reducido que es, por ejemplo, 1/10 del diámetro de la protuberancia correspondiente. La forma de cubeta (parte e de la figura) significa que la cara frontal 13 posee una depresión con una sección curvada o prácticamente rectangular.

En la parte f de la figura 7 se ilustra una estructura de varios componentes de la cabeza 16 de una protuberancia 12. La cabeza 16 posee un módulo de elasticidad E_{2} mayor (por ejemplo, de 10 MPa a 10 GPa), mientras que la cara frontal 13 está formada a partir de un material con un módulo de elasticidad reducido E_{1} (por ejemplo, en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa). Ventajosamente, esta estructura de dos componentes representa también una forma de realización de una estructura superficial con un módulo de elasticidad que disminuye hacia el extremo libre de la protuberancia.

La figura 8 ilustra en una vista lateral esquemática (perpendicular a la dirección de inclinación) un modo de realización de una protuberancia 12, en la que la cabeza 16 con la superficie de contacto 13 está formada por una membrana o lámina doblada en estado de contacto, que sobresale a partir de la parte basal 15 con un espesor reducido y, dado el caso, con una anchura aumentada (véase también la figura 9A). La cabeza en forma de membrana 16 posee la ventaja de una fuerza de sujeción asimétrica (véase más adelante la figura 9). El módulo de elasticidad de la cabeza 16 se ajusta en el intervalo de 10 MPa a 4 GPa.

La figura 9 ilustra una forma de realización de la invención que, debido al desarrollo de la fuerza de sujeción asimétrica, posee una elevada relevancia para aplicaciones tecnológicas. Se alcanza una alta fuerza adhesiva que, sin embargo, puede interrumpirse con poco coste, lo que es de importancia para las denominadas aplicaciones de "tomar y colocar" ("Pick-and-Place"). Las partes A y B de la figura muestran vistas laterales de la estructuración superficial según la invención con las protuberancias 12 paralelas (A) o perpendiculares (B) a la dirección de inclinación. Partiendo de las partes basales 15, las cabezas 16 poseen una forma de membrana o de lámina con una anchura en el intervalo de 20 nm a 1.000 nm y un espesor en el intervalo de 5 nm a 100 nm. La distancia entre las protuberancias individuales 12 se elige en función de la aplicación y según el ajuste de la anchura de las cabezas 16.

Cuando no están en contacto con el cuerpo adyacente, las protuberancias 12 presentan la inclinación deseada en el espacio (partes A, B de la figura). Cuando se establece un contacto, las cabezas 16 se flexionan (partes C, D de la figura). Debido a la inclinación prefijada de las protuberancias 12, todas las cabezas 16 se flexionan en la misma dirección. El contacto de adhesión se forma entre las caras frontales 13 y el cuerpo adyacente 30. La fuerza de sujeción de una cara frontal 13 inclinada de tal modo es diferente en caso de un esfuerzo paralelo o antiparalelo a la orientación de la cabeza 16. Las fuerzas de sujeción de distinta magnitud para esfuerzos de distinta orientación permiten la construcción de una estructura de adhesión con una fuerza de sujeción incrementada, que se muestra esquemáticamente en la parte E de la figura 9.

Cuando como estructura de sujeción se prevén dos zonas superficiales 11a, 11b (de un objeto o de dos objetos separados), en las que las protuberancias 12 se hallan inclinadas en direcciones recíprocamente opuestas (véanse las flechas), con dicha estructura de sujeción puede soportarse una masa 30 mayor de lo que sería posible con una estructura de sujeción correspondiente del mismo tamaño, pero con una inclinación uniforme. Esto resulta de que, respectivamente, una estructura de sujeción compensa las fuerzas tangenciales de la otra estructura de sujeción.

Análogamente a la representación según 9E, según la invención pueden preverse más estructuras de sujeción de simetría especular opuestas, por ejemplo, cuatro, seis o más. Para una conformación correspondiente de las caras frontales 13, pueden formarse estructuras de sujeción análogas con un número impar de estructuras de sujeción, en las que las fuerzas tangenciales se compensan de manera correspondiente.

La figura 10 ilustra la formación jerárquica de estructuras finas y subestructuras en las protuberancias 12 de una superficie estructurada según la invención. La parte A de la figura muestra esquemáticamente a modo de ejemplo una superficie real 31 con irregularidades en distintas escalas de tamaño. Para una adherencia óptima en todos los intervalos de tamaño, las protuberancias 12, conforme a la representación de detalle ampliada de la parte B de la figura, portan protuberancias de estructura fina 40, cuyas caras frontales de estructura fina 41 portan a su vez protuberancias de subestructura 50 (parte C de la figura). Según la invención, este principio puede extenderse a otras subestructuras.

En general, a medida que aumenta el tamaño del objeto que debe adherirse a superficies reales, se introducen más niveles jerárquicos de subestructuración. Las características descritas en la presente solicitud de patente para la caracterización de las protuberancias 12 pueden preverse de manera correspondiente en la realización de las protuberancias de estructura fina 40 y/o de las protuberancias de subestructura 50.

En las figuras 11 a 13 se representan esquemáticamente distintas estructuras superficiales en detalles ampliados. Estas representaciones sirven únicamente a título de ilustración. La realización de la invención no se limita a las geometrías mostradas. Según la fig. 11, sobre la superficie 11 del objeto (soporte 17) se forman, por ejemplo, protuberancias 12 en forma de bastón que poseen, respectivamente, una cara frontal 13 de borde recto (por ejemplo, rectángulo, cuadrado, polígono) o curvo. La cara frontal 13 puede ser aplanada o abovedada, en particular conforme a los principios mencionados anteriormente. En general, las protuberancias 12 constan respectivamente de una parte basal 15 y una cabeza 16, en cuyo lado alejado del objeto 10 está formada la cara frontal 13 (véase la parte derecha de la fig. 11). Las caras frontales 13, formadas a la misma altura sobre la superficie 11 constituyen la superficie de contacto 14 según la invención.

Generalmente, el objeto es un cuerpo sólido que, por ejemplo, es parte de un objeto de uso. El objeto puede poseer, como se representa, la forma de un soporte en forma de capa, que se compone de un material flexible (por ejemplo, plástico). En el lado del soporte opuesto al lado de la estructuración superficial puede preverse una capa adicional de adhesivo convencional (véase la fig. 11) o una modificación superficial según la invención (véase la fig. 13).

La fig. 12 ilustra que las partes basales 15 de protuberancias formadas según la invención 12 pueden orientarse inclinadas, al menos en parte, respecto a la superficie 11, a fin de poner a disposición las propiedades de cizallado explicadas anteriormente. La inclinación puede limitarse a una parte inferior de las partes basales 15, de modo que las protuberancias están inclinadas a baja altura y orientadas verticalmente cerca de la superficie de contacto 14.

La fig. 13 muestra que, según la invención, generalmente las protuberancias 12 y el objeto 10 (por ejemplo, un soporte en forma de capa) pueden estar preparados como composiciones de materiales diferentes.

Las caras frontales o microcontactos 13 formados según la invención pueden modificarse en sus propiedades geométricas según la aplicación. En la fig. 14 se ilustran, por ejemplo, caras frontales 13 cuadradas y redondas. La fig. 15 muestra que una superficie de contacto (paralela al plano del dibujo) puede formarse por caras frontales 13a, 13b con distintas dimensiones y/o geometrías. Por ejemplo, algunas partes de la superficie de contacto pueden estar dotadas de menor fuerza de separación, a fin de facilitar una primera apertura de la unión por adhesión, mientras que otras partes requieren una mayor fuerza de separación. Esta puede aplicarse con facilidad, dado el caso, después de una primera apertura, manualmente o con una herramienta.

En caso de que exista peligro de una separación de la unión por adhesión (despegado) en una orientación preferente, puede preverse una geometría según la fig. 16. Transversalmente a la dirección de delaminación D, las caras frontales 13 están formadas preferentemente con una distancia menor que paralelamente a la dirección D. Además, las caras frontales están conformadas de manera correspondiente.

A continuación se mencionan otras variaciones de las superficies estructuradas según la invención que pueden estar previstas individualmente o en combinación con las formas de realización anteriormente mencionadas. En primer lugar, la superficie del cuerpo sólido puede ser curva. Sobre una superficie pueden preverse varias superficies de contacto como islas o con bordes geométricos determinados. Las protuberancias pueden estar formadas con distintos grosores de las partes basales, de modo que dentro de una superficie de contacto resulten gradientes de la fuerza de separación. Los contactos en gradiente poseen la ventaja especial de una deformación elástica dependiente de la localización. Los microcontactos no tienen que estar dispuestos regularmente, sino que pueden estar dispuestos irregularmente, por ejemplo en forma de meandro, como laberinto o distribuidos estadísticamente.

Preferentemente, las protuberancias 12 se preparan siguiendo uno de los procedimientos siguientes en sí conocidos:

-: micro- o nanolitografía de las superficies que han de modificarse,

-: microimpresión,

-: crecimiento de protuberancias por autoorganización,

-: técnicas de estructuración, como se conocen de la formación de los denominados puntos cuánticos,

-: microelectroerosión (en superficies metálicas), micro-EDM,

-: trabajado de superficies por medio de un haz de iones (enfocado) y

-: el denominado prototipado rápido con rayos láser (materiales en polvo o polímeros).

La preparación de estructuras según la invención y, en particular, de estructuras jerárquicas según la figura 10 es posible básicamente mediante el moldeado de un molde adecuado. Alternativamente, en particular para la preparación de estructuras jerárquicas según la figura 10, es posible una combinación de las tecnologías siguientes:

-: Preparación de un molde para el primer nivel jerárquico (protuberancia 12):

: a1. Estructuración por láser de las superficies metálicas (hasta 100 \mum) (o alternativamente: a2. Estructuración litográfica de fotoresist sobre una superficie de Si y grabado en hueco posterior por el proceso de Bosch)

: b. Moldeado de las estructuras con polímeros (por ejemplo: polidimetilsiloxano o polivinilsiloxano)

-: Recubrimiento del elemento de superficie con un adhesivo,

-: Flocado de las superficies por un proceso de flocado electrostático de fibras textiles (por ejemplo: poliamida: diámetro 10 \mum, longitud 1 mm), y

-: Generación de superficies de contacto elásticas mediante cizallado de las estructuras sobre una superficie acondicionada térmicamente o mediante deposición de una capa delgada de un polímero elástico tal como el caucho.

Para el cizallado, los extremos libres de las protuberancias 12 se someten a una deformación térmica que comprende la puesta en contacto de todos los extremos libres de las protuberancias 12 con una superficie calentada (150º - 270ºC), preferentemente recubierta con PTFE y un arrastre sobre la superficie calentada, de modo que los extremos libres se deforman en forma de paleta.

Las estructuras formadas según la invención están compuestas, por ejemplo, de polímero (por ejemplo, PMMA, PE, polidimetilsiloxano, polivinilsiloxano, poliamida) o metal (por ejemplo, Z, B, Ni, Cu, Au).

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Aplicaciones

Las superficies modificadas según la invención pueden preverse como superficies de adhesión en todas las técnicas en las que deban establecerse uniones separables entre distintos objetos. Esto se aplica tanto a microobjetos (dimensiones características en el intervalo micrométrico y submicrométrico) como a objetos macroscópicos como, por ejemplo, herramientas, productos textiles, papel y similares. Las uniones según la invención pueden sustituir sujeciones por succión, adhesivas de tipo velcro y magnéticas.

Por ejemplo, en la fig. 17 se ilustra una herramienta 20 con un brazo manipulador 21 y una uña adhesiva 22, en la que se ha colocado de forma adherente un objeto ilustrado esquemáticamente 30 (por ejemplo, una herramienta). La superficie 23 de la uña adhesiva 22 está equipada con una microestructura conforme a los principios explicados anteriormente, que ocasiona la unión con el objeto 30.

Las características de la invención dadas a conocer en la presente descripción, los dibujos y las reivindicaciones pueden tener importancia tanto individualmente como también en combinación para la realización de la invención en sus distintas configuraciones.

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Documentos citados en la descripción

Esta lista de los documentos citados por el solicitante se ha incluido únicamente para información del lector y no forma parte del documento de patente europea. Dicha lista se ha elaborado con el mayor cuidado; sin embargo, la OEP no asume ninguna responsabilidad por errores u omisiones eventuales.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet US 5755913 A [0003]: \bullet WO 9604123 A [0006]

\bullet US 6099939 A [0004]: \bullet WO 0050232 A [0006]

\bullet US 6107185 A [0004]: \bullet WO 0149776 A [0008]

\bullet US 4615763 A [0004]: \bullet EP 158721 A [0030]

\bullet WO 9932005 A [0005]: \bullet DD 156825 [0030].

Claims

1. Procedimiento para la modificación de la superficie de un objeto (10) a fin de incrementar la capacidad de adhesión del objeto, en el que la superficie (11) se somete a una estructuración, de modo que se crea una multitud de protuberancias (12), que se forman respectivamente con una parte basal (15) y una cabeza, en las que la cabeza posee una cara frontal (13) alejada de la superficie y todas las caras frontales (13) poseen la misma altura perpendicular sobre la superficie (11) y forman una superficie de contacto (14) adherente, interrumpida por las distancias recíprocas entre las caras frontales(13), caracterizado porque las protuberancias (12) se forman elásticas e inclinadas respecto a la superficie, a partir de un material cuya elasticidad o resistencia a la flexión se reduce al menos en una de las direcciones de referencia, que comprenden una dirección longitudinal de cada protuberancia (12) desde la parte basal (15) hasta la cabeza, y una dirección transversal de cada protuberancia axialmente desde el centro de la parte basal (15) hacia fuera.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las protuberancias (12) con una densidad superficial (N), un módulo de elasticidad (E), una longitud (a) y un grosor (b) de las protuberancias (12) se forman elásticas e inclinadas respecto a la superficie, a partir de un material tal que un módulo elástico efectivo (E*), con E* = E \cdot N \cdot b^{2} \cdot (b/a)^{2}, posee un valor en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las protuberancias (12) se forman a partir de un material cuyo módulo de elasticidad se reduce desde un valor de elasticidad superior a un valor de elasticidad inferior, en que el valor de elasticidad superior se elige en el intervalo de 10 MPa a 10 GPa y el valor de elasticidad inferior en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa.

4. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que las partes basales (15) se forman con un ángulo de 89º a 45º respecto a la superficie.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que las partes basales (15) se forman con un ángulo de 80º a 60º.

6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las protuberancias (12) se forman de tal modo que las distancias recíprocas entre caras frontales (13) contiguas son menores que 10 \mum.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que las protuberancias (12) se forman de tal modo que las distancias recíprocas entre caras frontales (13) contiguas son menores que 5 \mum.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las protuberancias (12) se forman de tal modo que las caras frontales (13) poseen una dimensión de sección transversal característica, menor que 20 \mum y mayor que 20 nm.

9. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las protuberancias (12) se forman de tal modo que las caras frontales (13) presentan al menos una de las formas de cara frontal abovedadas, que comprenden un forma semiesférica, un forma cilíndrica, una forma tórica o una forma de cubeta.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la forma geométrica de la cara frontal se crea con un diámetro de la cara frontal predeterminado y un radio de curvatura que se elige en el intervalo de 5 mm hasta la mitad del diámetro de la cara frontal.

11. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes 1 a 8, en el que las protuberancias (12) se forman de tal modo que las partes basales (15) se extienden en cabezas (16) en forma de membrana, cuyo grosor es inferior al espesor de las partes basales (15).

12. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que las cabezas en forma de membrana (16) se constituyen con una longitud y una anchura que se eligen en el intervalo de 20 nm a 1.000 nm y con un grosor que se elige en el intervalo de 5 nm a 100 nm.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que las cabezas en forma de membrana (16) se constituyen con un módulo de elasticidad que es inferior al módulo de elasticidad de las partes basales (15) y se elige en el intervalo de 10 MPa a 2 GPa.

14. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 10 a 13, en el que las cabezas en forma de membrana (16) se preparan mediante una deformación térmica de los extremos libres de las protuberancias (12).

15. Procedimiento según la reivindicación 14, en el que la deformación térmica de las cabezas comprende la puesta en contacto de los extremos libres de las protuberancias (12) con una superficie calentada y un arrastre sobre la superficie calentada.

16. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las protuberancias (12) se forman con una longitud (a) y un grosor (b), de modo que resulta una relación de aspectos (a/b) de al menos 5:1.

17. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las caras frontales (13) se someten a una modificación superficial según una de las reivindicaciones precedentes, de modo que sobre cada cara frontal (13) se forman respectivamente una multitud de protuberancias de estructura fina (40), presentando respectivamente cada una unas caras frontales de estructura fina (41).

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que las caras frontales de estructura fina (41) se someten respectivamente a una modificación superficial según una de las reivindicaciones precedentes, de modo que se forman respectivamente protuberancias de subestructura (50).

19. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que las protuberancias de subestructura se forman con un espesor en el intervalo de 5 nm a 200 nm, en lo que las protuberancias de estructura fina (40) se forman con un grosor que es de 10 a 100 veces el valor del espesor de las protuberancias de subestructura (50), y las protuberancias (12) se forman con un grosor que es de 10 a 100 veces el valor del espesor de las protuberancias de estructura fina (40).

20. Procedimiento según la reivindicación 18, en el que las protuberancias de subestructura (50) se someten respectivamente al menos a una modificación superficial posterior según una de las reivindicaciones precedentes.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes 17 a 20, en el que las protuberancias de estructura fina o de subestructura (40, 50) se preparan con un procedimiento de flocado electrostático.

22. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que la superficie de contacto (14) se prepara con un gradiente de elasticidad.

23. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes en el que las protuberancias (12), cuyas cabezas (16) constituyen la superficie de contacto (14), comprenden protuberancias (12) de distintos tipos, que representan una distribución de distintas formas, materiales, propiedades de elasticidad y/o tamaños de las protube-
rancias.

24. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que la estructuración comprende la creación de las protuberancias sobre un soporte en forma de capa (17) que se fija sobre la superficie del objeto
(10).

25. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que la adhesión de las protuberancias (12) y/o de las caras frontales (13) se incrementa mediante modificación química o la aplicación de un adhesivo.

26. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que las protuberancias (12) se forman a partir de un polímero, un metal o una aleación.

27. Procedimiento para el establecimiento de una unión entre dos objetos, de los cuales al menos un objeto se ha modificado en al menos una parte de su superficie con un procedimiento según al menos una de las reivindicaciones precedentes, en el que los dos objetos se ponen en contacto de tal modo que la superficie de contacto del objeto modificado toca al otro objeto.

28. Procedimiento según la reivindicación 27, en el que al menos uno de los objetos está modificado en al menos dos partes de su superficie o al menos dos partes del objeto están modificadas respectivamente en una parte de su superficie de tal modo que las protuberancias (12) están inclinadas respectivamente en orientación opuesta respecto a la superficie de contacto.

29. Superficie estructurada de un cuerpo sólido con capacidad de adhesión incrementada, en que la superficie (11) presenta una estructuración que comprende una multitud de protuberancias (12), que presentan respectivamente una parte basal y una cabeza, en que la cabeza posee una cara frontal (13) alejada de la superficie, caracterizada porque las protuberancias (12) son elásticas y están inclinadas respecto a la superficie y presentan un material cuya elasticidad o resistencia a la flexión se reduce en al menos una de las direcciones de referencia, que comprenden una dirección longitudinal de cada protuberancia (12) desde la parte basal (15) a la cabeza y una dirección transversal de cada protuberancia axialmente desde el centro de la parte basal (15) hacia fuera.

30. Superficie estructurada según la reivindicación 29, en la que las protuberancias (12) con una densidad superficial (N), un módulo de elasticidad (E), una longitud (a) y un espesor (b) son elásticas y están dispuestas inclinadas respecto a la superficie y comprenden un material cuyo módulo elástico efectivo (E*), con E* = E \cdot N \cdot b^{2} \cdot (b/a)^{2}, posee un valor en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa.

31. Superficie estructurada según la reivindicación 29, en la que las protuberancias (12) comprenden un material cuyo módulo de elasticidad se reduce desde un valor de elasticidad superior a un valor de elasticidad inferior, en que el valor de elasticidad superior está contenido en el intervalo de 10 MPa a 10 GPa y el valor de elasticidad inferior en el intervalo de 20 kPa a 10 MPa.

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32. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones 29 a 31, en la que las parte basales (15) presentan un ángulo de 89º a 45º respecto a la superficie.

33. Superficie estructurada según la reivindicación 32, en la que las partes basales (15) presentan un ángulo de 80º a 60º respecto a la superficie.

34. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 33, en la que las distancias recíprocas entre caras frontales (13) contiguas son menores que 10 \mum.

35. Superficie estructurada según la reivindicación 34, en la que las distancias recíprocas entre caras frontales (13) contiguas es menor que 5 \mum.

36. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 35, en la que las caras frontales (13) poseen una dimensión de sección transversal característica menor que 20 \mum y mayor que 20 nm.

37. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 36, en la que las caras frontales (13) presentan al menos una de las formas de cara frontal abovedadas, que comprenden un forma semiesférica, un forma cilíndrica, una forma tórica o una forma de cubeta.

38. Superficie estructurada según la reivindicación 37, en la que la forma de la cara frontal presenta un diámetro de la cara frontal predeterminado y un radio de curvatura que se elige en el intervalo de 5 mm hasta la mitad del diámetro de la cara frontal.

39. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 35, en la que las partes basales (15) de las protuberancias (12) se extienden en cabezas (16) en forma de membrana, cuyo grosor es inferior al espesor de las partes basales (15).

40. Superficie estructurada según la reivindicación 39, en la que las cabezas en forma de membrana (16) presentan una longitud y una anchura que se eligen en el intervalo de 20 nm a 1.000 nm y un grosor que se elige en el intervalo de 5 nm a 100 nm.

41. Superficie estructurada según la reivindicación 39, en la que las cabezas en forma de membrana (16) presentan un módulo de elasticidad que es inferior al módulo de elasticidad de las partes basales (15) y se elige en el intervalo de 10 MPa a 2 GPa.

42. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 41, en la que las protuberancias (12) presentan una longitud (a) y las caras frontales (13) la dimensión de sección transversal característica (b), de tal modo que resulta una relación de aspectos (a/b) de al menos 5:1.

43. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 42, en la que las superficies frontales (13) presentan respectivamente una multitud de protuberancias de estructura fina (40), que presentan respectivamente caras frontales de estructura fina (41).

44. Superficie estructurada según la reivindicación 43, en la que las caras frontales de estructura fina (41) presentan respectivamente protuberancias de subestructura (50).

45. Superficie estructurada según la reivindicación 43, en la que las protuberancias de subestructura presentan un grosor en el intervalo de 5 nm a 200 nm, en lo que las protuberancias de estructura fina (40) presentan un espesor que es de 10 a 100 veces el valor del grosor de las protuberancias de subestructura (50), y las protuberancias (12) presentan un espesor que es de 10 a 100 veces el valor del grosor de las protuberancias de estructura fina (40).

46. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 45, en la que la superficie de contacto (14) presenta un gradiente de elasticidad.

47. Superficie estructurada según la reivindicación 46, en la que las protuberancias (12), cuyas cabezas (16) constituyen la superficie de contacto (14), comprenden protuberancias (12) de distintos tipos, que representan una distribución de distintas formas, materiales, propiedades de elasticidad y/o tamaños de las protuberancias.

48. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 47, que comprende un soporte en forma de capa (17) que está fijado a la superficie del objeto (10).

49. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 48, en la que las protuberancias (12) comprenden un polímero, un metal, una aleación, un semiconductor o una cerámica.

50. Superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones precedentes 29 a 49 en la que sobre las protuberancias (12) y/o las caras frontales (13) se prevé una modificación química o un adhesivo.

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51. Cuerpo sólido, cuya superficie es, al menos en parte, una superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones 29 a 49.

52. Ensamblaje de dos cuerpos sólidos a lo largo de una superficie de unión, de los que al menos uno de ellos presenta una superficie que en la zona de la superficie de unión es, al menos en parte, una superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones 29 a 49.