JP2012255554A

JP2012255554A - 超疎水性表面および製造方法

Info

Publication number: JP2012255554A
Application number: JP2012168113A
Authority: JP
Inventors: Roger Scott Kempers; ケンパース，ロジャー，スコット; Alan Michael Lyons; ライオンズ，アラン，マイケル; Alan O'loughlin; オローリン，アラン
Original assignee: Alcatel Lucent USA Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2012-12-27
Also published as: WO2007130294A3; CN101437749B; JP2009535591A; EP2016023A2; US20070259156A1; WO2007130294A2; KR20080113095A; CN101437749A

Abstract

【課題】超疎水性表面挙動の活用を実現可能にする超疎水性構造の製造を容易にする。
【解決手段】基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、この基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップ（６０４）と、この３次元グラフィックス・デザインを陽像または陰像として３次元ラピッド・プロトタイプ製造装置に入力するステップ（６０８）と、構築材料を布設しかつ基部および隆起マイクロスケール特徴構造を一体構造として製造するステップ（６１２）とを含む方法。
【選択図】図６

Description

本発明は一般に、超疎水性表面を有する構造およびその製造方法に関する。

疎水性構造は、水のような高い表面張力の液体をはじくその能力で知られている。間隙によって離間されかつ基板上で相互に対して定位置に保持される複数の隆起特徴構造を含む幾つかの疎水性構造が作製されてきた。

これらの隆起特徴構造は、支柱、刃、犬釘状突起、および畝を含む様々な形状の形態を取りうる。十分に高い表面張力を有する液体が、このような疎水性構造と接触するとき、この液体が即座に間隙に貫入しないように、液体は、十分に高い局所接触角で疎水性構造と界面を形成することができる。その場合に、このような構造は「超疎水性」であると説明される。

超疎水性構造のための一般的な製造方法には、ナノリソグラフィ、ナノエンボス加工、および溶液からの超疎水性皮膜の堆積が含まれる。ナノリソグラフィ法は、支柱、刃、犬釘状突起、畝、または他の隆起特徴構造をシリコン・ウェーハのようなセラミック体の表面の中へエッチングし、次いで疎水性皮膜を隆起特徴構造の上に施すことが含まれうる。これらの方法は典型的に、隆起特徴構造を実質的に平面的な基板上に形成することに限定されて、隆起特徴構造上への疎水性皮膜の接着ばかりでなく、このような皮膜によるセラミックの均一なウェッティングも信頼性が低い。ナノエンボス加工は、隆起特徴構造用の型を形成するために、超疎水性構造をワックス・シートのような変形可能な表面に圧入して、この構造を変形可能な表面から除去し、硬化可能な組成物をこの型の中へ入れて変形可能な表面上に成形し、硬化した組成物を変形可能な表面から剥ぎ取ることを含みうる。このような成形方法は典型的に、幾つかの許容可能な超疎水性構造を生み出すと共に、許容外の品質を有するかなりの比率の欠陥構造を生み出す。溶液から支持体上に超疎水性皮膜を堆積することは、典型的に、ウェッティングの均一性および接着に関する先に論じた同じ問題に帰着する。さらには、これらの従来技法のすべてにおいて、得られる超疎水性構造は、実質的に平面的な基板上に数多くの離間された隆起特徴構造を典型的に含む。したがって、超疎水性構造を製造するこのような技法によってもたらされる品質および収率問題に加えて、これらの方法は、そのような構造に関する潜在的な設計も制約する。さらに、溶液から超疎水性皮膜を堆積するには、ナノ粒子、結合剤、および分散剤を含む複合的な皮膜組成物の調製が必要でありうる。このような皮膜組成物は、非平面的な表面上への堆積には適切でありうるが、この技法によって調製された超疎水性表面も典型的に、先に論じた接着および収率問題を抱える。さらには、流れまたは表面の超疎水特性を制御または変更するために、そのように調製された超疎水性ナノ模様付け表面の幾何学的形状を調節することも実現できない恐れがある。

米国特許出願第１１／４１６８９３号明細書米国特許出願第１０／８０６５４３号（米国特許第７０４８８８９号）明細書米国特許出願第１１／３８７５１８号明細書

したがって、超疎水性表面挙動の活用を実現可能にする新規タイプの超疎水性構造に対する要望が絶えず存在するばかりでなく、このような新規タイプの超疎水性構造の製造を容易にする新規の方法に対する要望が絶えず存在する。

一実施態様の実施例では、長手軸を有するチャネルと境を接するライニングを有するコンジット本体を含む装置が提供されるが、このライニングはライニング基部を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造を含む。

一実施態様の別の実施例として、キャビティの少なくとも一部を取り囲むキャビティ本体を含む装置が提供されるが、このキャビティは、長手軸を有するチャネルと境を接するライニングを有し、このライニングはライニング基部を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造を含む。

別の実施例では、基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、この基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップと、この３次元グラフィックス・デザインを３次元ラピッド・プロトタイプ製造装置に入力するステップと、構築材料を布設しかつ基部および隆起マイクロスケール特徴構造を一体構造として製造するステップとを含む方法が提供される。

追加的な実施態様として、基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、この基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップと、この３次元グラフィックス・デザインを陰像として３次元ラピッド・プロトタイプ製造装置に入力するステップと、支持体材料を布設しかつ基部および隆起マイクロスケール特徴構造を一体構造として製造するステップとを含む方法が提供される。

本発明の他のシステム、方法、特徴構造、および利点は、以下の図面および詳細な説明を検討するとき当業者には明らかであるかまたは明らかになろう。このような追加的なシステム、方法、特徴構造、および利点のすべてが、この説明の範囲内に包含され、本発明の範囲内であり、かつ添付の特許請求の範囲によって保護されることが企図されている。

本発明は、以下の図を参照するとより適切に理解される。これらの図中の構成要素は、必ずしも寸法通りに描かれているとは限らず、そうではなく本発明の原理を例示することに重点がおかれている。さらに図中では、異なる図面全体を通じて同様の参照番号が対応する部分を指す。

長手軸を有するチャネルと境を接するライニングを有するコンジット本体を含む装置の一実施例の実施態様を示す斜視図であり、このライニングはライニング基部を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造を含む。線２−２上で取った、図１に示したコンジットの上面図である。キャビティの少なくとも一部を取り囲むキャビティ本体を含む装置の例示的な実施態様を示す斜視図であり、このキャビティは、長手軸を有するチャネルと境を接するライニングを有し、このライニングはライニング基部を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造を含む。線４−４上で取った、図３に示したキャビティの上面図である。線５−５上で取った、図３に示したキャビティの断面図である。基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、この基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置を製造する方法の実施態様の一実施例を示す流れ図である。長手軸を有するチャネルと境を接するライニングを有するコンジット本体を含むコンジットの一実施例の実施態様を示す斜視図であり、このライニングはライニング基部を含み、ライニングは、図６の方法にしたがう製造時に、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造を含む。

図１はコンジット１００の一実施例の実施態様を示す斜視図であるが、このコンジットは、長手軸１０８を有するチャネル１０６と境を接するライニング１０４を有するコンジット本体１０２を含み、このライニングはライニング基部１１０を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造１１２を含む。

本明細書全体を通じて、「コンジット」という用語は、流体を１つの箇所から別の箇所に運ぶことが可能である構造の内部領域を意味する。本明細書全体を通じて、「ライニング」という用語は、コンジットまたはキャビティの内側表面上の被覆を意味する。

隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０で測定した平均直径が約１０００マイクロメートル未満である（本明細書全体を通じて「マイクロスケール」と呼ばれる）。一実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０で測定した平均直径が約４００マイクロメートル未満でありうる。一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０で測定した平均直径が約５０マイクロメートルを超える大きさでありうる。相対的に小さい平均直径を有する隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、この隆起マイクロスケール特徴構造上の流体の流れに対して相対的に低い抵抗を生成することができる。

一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０ミリメートル（「ｍｍ」）未満でありうる。他の実施例では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが、約２ｍｍ未満でありうる。追加的な実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０ｍｍを超える大きさでありうる。別の実施例では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１６マイクロメートルを超える大きさでありうる。別の実施態様として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０００マイクロメートルと約２０００マイクロメートルとの間の範囲内でありうる。

ライニング１０４は、点線によって模式的に示されたライニング基部１１０と、概ね長手軸１０８に向かう方向へライニング基部から延びる隆起マイクロスケール特徴構造１１２とを含む。本明細書全体を通じて、「ライニング基部」という用語は、隆起マイクロスケール特徴構造の領域の基底にある、コンジットまたはキャビティの内側表面の領域を意味し、隆起マイクロスケール特徴構造はコンジットまたはキャビティ内部の内部チャネルに隣接している。ライニング基部は、コンジットまたはキャビティのライニングの一部を構成する材料の層を含む。隆起マイクロスケール特徴構造１１２とライニング基部１１０とを含むライニング１０４は、一体構造である。本明細書全体を通して、「一体構造」という用語は、隆起マイクロスケール特徴構造１１２およびライニング基部１１０のような、そのように説明された本装置要素が、同じ材料の単一で、単体の本体であることを意味する。チャネル１０６と境を接するライニング１０４の境界が、例示的な点線１１４、１１６、１１８、および１２０によって模式的に画定される。コンジット１００の端部１２２、１２４は、流体（図示せず）が、長手軸１０８の端部で概ね矢印の方向へコンジット１００を通過することを容易にする。コンジット１００はコンジット本体１０２を含む。一実施例として、コンジット本体１０２およびライニング１０４は一体構造でありうる。別の実施態様では、長手軸１０８は、湾曲領域（図示せず）を含んでもよく、ライニング１０４は概ねその湾曲に追従しうる。実施例として、湾曲は緩慢であってもよいし、または急激な屈曲を含んでもよい。長手軸１０８も直線領域を含んでもよいし、または長手軸全体が湾曲してもよい。チャネル１０６は、矢印を有する点線によって表され、長手軸１０８に対して横断方向へ画定された直径１２６を有する。一実施態様では、コンジット本体１０２は、コンジット１００が全体的にパイプ形状を有するように、概ね円筒形の外部形状を有しうる。別の実施例（図示せず）として、コンジット本体１０２は、コンジット１００が別の選択された外部形状を有するように、追加的な材料を含みうる。他の実施態様（図示せず）では、コンジット１００は、他の構成要素を有する装置と一体化されうる。

図２は、線２−２上で取った、図１に示したコンジット１００の上面図である。図１は、チャネル１０６の直径１２６が、コンジット１００の長手軸１０８に沿って均一でありうることを示す。別の実施例（図示せず）として、チャネル１０６の直径１２６が、長手軸１０８に沿って異なる位置で２つの異なる値を含みうる。一実施態様（図示せず）では、直径１２６に関する値が、長手軸に沿って一方または両方の方向へ勾配または別の変化パターンを画定してもよく、実施例として漏斗またはピペット先端を形成する。

一実施態様では、ライニング基部１１０は、隆起マイクロスケール特徴構造１１２の超疎水性パターンによって実質的に被覆されうる。「実質的に被覆される」とは、ライニング１０４が超疎水性挙動を発揮するように、隆起マイクロスケール特徴構造１１２が、十分な密度を有してライニング基部１１０上で離間されていることを意味する。本明細書全体を通じて使用される「超疎水性」という用語は、隆起マイクロスケール特徴構造の主体超疎水性パターンが、１センチメートル当たり約７０ダイン（「ｄ／ｃｍ」）よりも大きい表面張力を有する液体によって即座に湿潤されることがないこと、および約２８ｄ／ｃｍよりも大きい表面張力を有する液体によって即座に湿潤されえないことを意味する。一実施例として、約２８ｄ／ｃｍの表面張力を有するアルコールは、本明細書に開示された隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを即座に湿潤することができない。

一実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、最も近傍の隣接する隆起マイクロスケール特徴構造１１２間の平均間隔（「ピッチ」）が、約１マイクロメートルと約１ｍｍとの間の範囲内にあるように、ライニング基部１１０上のパターンで配置されうる。別の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、最も近傍の隣接する隆起マイクロスケール特徴構造１１２間の平均ピッチが、約０．２ｍｍと約０．６ｍｍとの間の範囲内にあるように、ライニング基部１１０上のパターンで配置されうる。他の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２が、無作為に離間されてもよいし、均一に離間されてもよいし、またはライニング基部１１０上で画定されたパターンもしくは勾配で離間されてもよい。

隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、任意選択の１つまたは複数の断面形状を有してもよく、このような断面は、ライニング基部１１０（そこから隆起マイクロスケール特徴構造が長手軸１０８に向かって延びる）の一部に対して概ね横断方向へ隆起マイクロスケール特徴構造を通る横断面として画定される。実施例として、このような断面形状には、単独でまたは組合せで、支柱、刃、犬釘状突起、角錐形、正方形、爪、および畝が含まれうる。適切な断面形状が、例えば、米国特許第７０４８８８９号として２００６年５月２３日に交付され、ここでその全体が参照によって本明細書に組み込まれる「ＤｙｎａｍｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅＢｉｏｌｏｇｉｃａｌ／ＣｈｅｍｉｃａｌＤｅｔｅｃｔｏｒｓＨａｖｉｎｇＮａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＳｕｒｆａｃｅｓ」と題された米国特許出願第１０／８０６５４３号の図１Ａ〜Ｅおよび３Ａ〜Ｃに示されている。他の適切な断面形状が、２００６年３月２３日出願の「Ｓｕｐｅｒ−ＰｈｏｂｉｃＳｕｒｆａｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」と題され、ここでその全体が参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第１１／３８７５１８号に開示されている。

超疎水性パターンの形成に加えて、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、集合的に熱絶縁体としても機能しうる。一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、この隆起マイクロスケール特徴構造の長さに沿ってサイズが変化する断面形状を有しうる。一実施例として、このような可変断面形状は、隣接する隆起マイクロスケール特徴構造間に空虚な空間を画定することができる。この空虚な空間は、熱絶縁体として機能するために、隆起マイクロスケール特徴構造１１２の超疎水性パターンの有効性を増大することができる。

一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均平方寸法の直角錐形を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約２００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約２０００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。別の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の正方形形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約６００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１５００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。他の実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の正方形形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約６００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１０００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。追加的な実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の正方形形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約５００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１５００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。他の実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の正方形形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約５００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１０００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。別の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約２００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の正方形形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約４００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１０００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。他の実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、ライニング基部１１０で測定した約１００マイクロメートル×２００マイクロメートルの平均寸法の爪形状を有してもよく、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、約４００マイクロメートルのピッチで、ライニング基部１１０上にあり、かつそこから離れて約１０００マイクロメートルの平均長さだけ延びる。隆起マイクロ特徴構造１１２に関する寸法およびピッチのこれらの同じ実施例は、図３〜５に関連して以下で論じられる隆起マイクロスケール特徴構造３１２を形成する際にも利用可能である。

コンジット１００のライニング１０４を形成するための材料は、機械的に強靱な中実本体を形成するのに適切な選択された重合体を生成する前駆物質試薬を含みうる。一実施態様では、重合体材料用の前駆物質が、１つには、得られる重合体の相対的な柔軟性または剛性に応じて選択されうる。実施例として、コンジット１００は、コンジット１００に選択された最終用途に応じて剛性または柔軟性重合体を含みうる。別の実施態様では、生体適合性重合体用の前駆物質が選択可能である。一実施例として、ポリエチレンが生体適合性である。固体状態で適用される材料を使用するラピッド・プロトタイプ布設法（以下で論じられる）の場合では、狭い粒子サイズ分布を有する重合体粒子が、一実施例として選択可能である。別の実施例では、相対的に小寸法を有する隆起マイクロスケール特徴構造が製造されうるように、相対的に小さい平均粒子サイズを有する重合体粒子が選択されうる。以下でさらに論じられるように、インクジェット法または他の流体噴霧法が、ライニング１０４を形成する材料の布設に選択される場合には、試薬が、液体のような流体の形態で提供されうる。

コンジット１００のライニング１０４を形成するための材料には、モノマー、オリゴマー、プレポリマー、および重合体ばかりでなく、硬化剤および他の重合化添加剤も含まれうる。使用または形成されるべき適切な重合体には、ポリエチレン、ポリプロピレン、および共重合体のようなポリオレフィン；アクリル系重合体；アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（「ＡＢＳ」）重合体；ポリカーボネート（「ＰＣ」）；ＰＣ−ＡＢＳ；メタクリル酸メチル；メタクリル酸メチル−ＡＢＳ共重合体（「ＡＢＳｉ」）；ポリフェニルサルホン；ポリアミド；ならびにフッ化エチレンプロピレン共重合体およびテフロン（登録商標）フッ素化炭化水素重合体のようなフッ素重合体が含まれうる。一実施例として、活性親水性部分の最小濃度を有する重合体が選択可能である。添加剤が、ライニング１０４の全体的な柔軟性を増大するために選択可能である。一実施例では、選択された重合体と適合可能であるが、相対的に低い分子重量を有する分子が、柔軟化添加剤として使用可能である。ポリエチレン重合体では、一実施態様として、低分子重量の直鎖炭化水素ワックスが、柔軟化添加剤として使用可能である。別の実施例では、過フッ素化炭化水素ワックスのようなハロゲン化炭化水素が、このような添加剤として使用可能である。別の実施態様では、アクリル樹脂、アクリル酸ウレタン、ビニルエーテル、アクリル酸エポキシ樹脂、エポキシ樹脂、および塩化ビニル重合体のような紫外線硬化性重合体が使用可能である。適切な重合体組成物には、５５３４４ミネソタ州イーデン・プレーリー市（ＥｄｅｎＰｒａｉｒｉｅ）ドクターマーチン（ＭａｒｔｉｎＤｒ．）１４９５０在のストラータシス・インコーポレイテッド社（ＳｔｒａｔａｓｙｓＩｎｃ．）および５５３４４ミネソタ州イーデン・プレーリー市ウォーレス・ロード（ＷａｌｌａｃｅＲｄ．）８０８１在のレッドアイＲＰＭ社（ＲｅｄｅｙｅＲＰＭ）から市販のラピッド・プロトタイピング重合体が含まれうる。一実施態様では、ライニング１０４を形成するために使用される同じ材料が、コンジット本体１０２を形成するために使用されうる。

図３はキャビティ３００の例示的な実施態様を示す斜視図であるが、このキャビティは、キャビティの少なくとも一部を取り囲むキャビティ本体３０２を含み、このキャビティは、長手軸３０８を有するチャネル３０６と境を接するライニング３０４を有し、このライニングはライニング基部３１０を含み、ライニングは、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造３１２を含む。ライニング３０４は隆起マイクロスケール特徴構造３１２を含む。

隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０で測定した平均直径が約１０００マイクロメートル未満である。一実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０で測定した平均直径が約４００マイクロメートル未満でありうる。一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０で測定した平均直径が約５０マイクロメートルを超える大きさでありうる。

一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０ｍｍ未満でありうる。他の実施例では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約２ｍｍ未満でありうる。追加的な実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０ｍｍを超える大きさでありうる。別の実施例では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部１１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１６マイクロメートルを超える大きさでありうる。別の実施態様として、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、そのライニング基部３１０上でかつそこから離れて延びる平均長さが約１０００マイクロメートルと約２０００マイクロメートルとの間の範囲内でありうる。

ライニング３０４は、点線によって模式的に示されたライニング基部３１０を含み、この基部から隆起マイクロスケール特徴構造３１２が概ね長手軸３０８へ向かう方向へ延びる。また隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、概ねキャビティ３００の開口端３１６に向かう方向へライニング３０４の床面３１４から延びる。ライニング基部３１０と隆起マイクロスケール特徴構造３１２とを含むライニング３０４は、一体構造である。チャネル３０６と境を接するライニング３０４の境界が、例示的な点線３１８、３２０、３２２、および３２４によって模式的に画定される。キャビティ３００の開口端３１６は、流体（図示せず）が、概ね長手軸３０８上の矢印の方向でキャビティ３００に流入しかつそこから流出することを容易にする。キャビティ３００はキャビティ本体３０２を含む。一実施例として、キャビティ本体３０２と、ライニング基部３１０および隆起マイクロスケール特徴構造３１２を含むライニング３０４とは、一体構造でありうる。

一実施例（図示せず）として、このようなライニング３０４が、キャビティ開口部の平面から半球の周囲に垂直に突出する軸を含む全体的に半球形状を有してもよい。別の実施態様では、長手軸３０８が湾曲領域（図示せず）を含んでもよく、ライニング３０４は、得られる湾曲に概ね追従する。実施例として、湾曲は緩慢であってもよいし、または急激な屈曲を含んでもよい。また長手軸３０８は、直線領域を含んでもよいし、または長手軸全体が湾曲してもよい。チャネル３０６は、矢印を有する点線によって表され、長手軸３０８に対して横断方向へ画定される直径３２６を有する。チャネル３０６の直径３２６は、キャビティ３００の長手軸３０８に沿って均一でありうる。別の実施例（図示せず）として、チャネル３０６の直径３２６は、長手軸３０８に沿って異なる位置で２つの異なる値を含みうる。一実施態様（図示せず）では、直径３２６に関する値が、長手軸に沿って一方または両方の方向へ勾配または別の変化パターンを画定してもよく、実施例としてフラスコまたはボウルを形成する。

一実施態様では、ライニング基部３１０が、隆起マイクロスケール特徴構造３１２の超疎水性パターンによって実質的に被覆されうる。「実質的に被覆される」とは、ライニング３０４が超疎水性挙動を発揮するように、隆起マイクロスケール特徴構造３１２が、十分な密度を有してライニング基部３１０上で離間されていることを意味する。

一実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、最も近傍の隣接する隆起マイクロスケール特徴構造３１２間の平均ピッチが、約１マイクロメートルと約１ｍｍとの間の範囲内にあるように、ライニング基部３１０上のパターンで配置されうる。別の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、最も近傍の隣接する隆起マイクロスケール特徴構造３１２間の平均ピッチが、約０．２ｍｍと約０．６ｍｍとの間の範囲内にあるように、ライニング基部３１０上のパターンで配置されうる。他の実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２が、無作為に離間されてもよいし、均一に離間されてもよいし、またはライニング基部３１０上に画定されたパターンもしくは勾配で離間されてもよい。

一実施例として、キャビティ本体３０２が追加的な材料（図示せず）と一体化されるように、キャビティ３００は、より大きい装置（図示せず）に組み込まれてもよい。一実施態様では、複数のキャビティ３００が、相互に平行の離間アレイで位置合わせされたそれらの長手軸３０８を有してもよく、各キャビティ３００は開口端３１６を有し、これらの開口端は平面３２８内で位置合わせされる。一実施例として、平面３２８は、円形壁３３０に沿ってキャビティ本体３０２と交差してもよい。一実施例として、９６個のキャビティ３００が、生物学的および化学的試験を実行する際に利用するために標準的な９６ウェルのマイクロウェル・プレートを集合的に形成しうる。一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、水性相試験の完了後に、キャビティ３００からの試薬の自己浄化を容易化することができる。

隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、図１に関連して先に論じられたものと同じ様態で、任意選択の１つまたは複数の断面形状を有してもよく、このような断面は、ライニング基部３１０（そこから隆起マイクロスケール特徴構造が長手軸３０８に向かって延びる）の一部に対して概ね横断方向へ隆起マイクロスケール特徴構造を通る横断面として画定される。超疎水性パターンの形成に加えて、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、集合的に熱絶縁体としても機能しうる。一実施態様では、隆起マイクロスケール特徴構造３１２は、この隆起マイクロスケール特徴構造の長さに沿ってサイズが変化する断面形状を有しうる。一実施例として、このような可変断面形状は、隣接する隆起マイクロスケール特徴構造間に空虚な空間を画定することができる。この空虚な空間は、熱絶縁体として機能するために、隆起マイクロスケール特徴構造３１２の超疎水性パターンの有効性を増大することができる。

図１のライニング１０４を形成するための、上で論じられたものと同じ材料が、ライニング３０４を形成するために使用される。一実施態様では、キャビティ本体３０２を形成するためにもこの同じ材料が使用されうる。

図４は、線４−４上で取った、図３に示したキャビティ３００の上面図である。図４は、ライニング基部３１０上の隆起マイクロスケール特徴構造３１２の様々な向きを示す。図５は、線５−５上で取った、図３に示したキャビティ３００の床面３１４の断面図である。図５は、ライニング３０４の床面３１４を形成するライニング基部３１０の一部上の数多くの隆起マイクロスケール特徴構造３１２を示す。ライニング３０４の床面３１４上の隆起マイクロスケール特徴構造３１２が図４および５に隆起輪郭として示されているが、それらの多くは、線４−４または線５−５上の実際の眺めでは、上から見下ろして点として見られる。

図６は、基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置を製造する方法６００の一実施態様の実施例を示す流れ図である。本方法はステップ６０２から始まり、ステップ６０４で、３次元（「３−Ｄ」）グラフィックス・デザイン電子データファイルが、基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有する装置に提供される。一実施態様では、方法６００を利用して、図１および２に関連して上で論じられたコンジット１００を製造する。３−Ｄグラフィックス・デザインは、コンピュータ援用設計（「ＣＡＤ」）としても知られる、３−Ｄグラフィックス・コンピュータ・プログラムを使用して創出されうる。実施例として、９４９０３カリフォルニア州サンラフェル市（ＳａｎＲａｆａｅｌ）マキニス・パークウェイ（ＭｃＩｎｎｉｓＰａｒｋｗａｙ）１１１在のオートデスク・インコーポレイテッド社（ＡｕｔｏｄｅｓｋＩｎｃ．）から市販の３ｄｓＭａｘｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍが使用可能である。別の実施態様では、０２４９４マサチューセッツ州ニーダム市（Ｎｅｅｄｈａｍ）ケンドリック・ストリート（ＫｅｎｄｒｉｃｋＳｔ．）１４０在のパラメトリック・テクノロジー・コーポレーション社（ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販のＰＲＯ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍが使用可能である。

ステップ６０６で、３−Ｄグラフィックス・デザイン・データファイルが、選択された３−Ｄラピッド・プロトタイプ製造（「ＲＰＦ」）装置と互換性のあるフォーマットを有する電子データファイルへ変換されうる。ステップ６０８で、この３−Ｄグラフィックス・データファイルは、選択された３−Ｄラピッド・プロトタイプ製造装置に入力される。

一実施態様では、次いで、３−Ｄラピッド・プロトタイプ製造装置を使用して、ライニング基部１１０および隆起マイクロスケール特徴構造１１２を一体構造として製造するための材料を含む、コンジット用の構築材料の層を連続的に布設することによって、３−Ｄグラフィックス・データファイルをコンジット１００へ変換する。

方法６００によってコンジット１００を製造するために使用するように選択可能である市販のＲＰＦ装置によって実施される布設法の実施例の中には次のものがある。すなわち、熱的相変化インクジェット堆積、光重合体相変化インクジェット堆積、ステレオリソグラフィ（「ＳＬＡ」）、ソリッドグラウンド硬化（「ＳＧＣ」）、選択的レーザ焼結（「ＳＬＳ」）、溶融堆積モデリング（「ＦＤＭ」）、積層物体製造（「ＬＯＭ」）、および３−Ｄプリンティング（「３ＤＰ」）である。これらの方法のそれぞれが、支持体表面上にコンジット１００用の構築材料の薄い層の連続的な布設を伴いうる。支持体表面は、固体プラットフォームまたは構築材料が浮遊させられる液体表面でありうる。構築材料が支持体表面上方の離間された位置に布設される必要がある場合に、支持体材料（その上に、離間された構築材料が引き続いて堆積されうる）は、当該目的のために必要とされる時点および箇所で布設され、それを後で除去するように配置される。実施例として、支持体材料は、熱によって除去可能なワックスまたは選択的に溶解可能な材料でよい。

これらの方法のそれぞれが、液体または固体の形態にある構築材料を布設する。液体の形態にある構築材料の布設を伴う方法には、熱的相変化インクジェット、光重合体相変化インクジェット、およびＳＬＡ法が含まれる。インクジェット法の利用は、インクジェットから噴霧された液体構築材料の固化が最小限の空隙形成で生じうるので、相対的に高品質のコンジット１００が製造されることになる。しかも、インクジェットから噴霧された液体構築材料は、相対的に小寸法を有する隆起マイクロスケール特徴構造の製造を可能にする粒子サイズのような、非常に小さい粒子サイズを有しうる。しかし、隆起マイクロスケール特徴構造に関する最小実現可能寸法は、インクジェット・システムにおける液体構築材料の流動力学的特性によって限定されうる。熱的相変化インクジェット装置は、インクジェットと適合性がありかつ冷却時の固化に適切である限定された種類の構築材料を使用することが可能であり、それは相対的に強靱であるが脆性のコンジット１００を生み出しうる。光重合体相変化インクジェット装置は、インクジェットと適合性がありかつ紫外光に曝すと硬化するのに適切であるより広い種別の構築材料を使用することが可能であり、それは剛性または相対的に柔軟性のコンジット１００を生み出しうる。一実施態様では、９１３５５カリフォルニア州ヴァレンシア市（Ｖａｌｅｎｃｉａ）アヴェニューホール（ＡｖｅｎｕｅＨａｌｌ）２６０８１在の３Ｄシステムズ・インコーポレイテッド社（３Ｄ−Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．）から市販のＩｎＶｉｓｉｏｎＨＲ３−ＤＰｒｉｎｔｅｒが使用可能であり、ステップ６０６で、最初の３−Ｄグラフィックス電子データファイルが、ＳＴＬファイル・フォーマットに変換されうる。一実施例として、３Ｄシステムズ・インコーポレイテッド社から市販のＶｉｓｉＪｅｔ（登録商標）ＨＲ−２００ＰｌａｓｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌが、構築材料として使用可能である。ＶｉｓｉＪｅｔ（登録商標）ＨＲ−２００ＰｌａｓｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌは、トリエチレングリコールジメチル酸エーテル、アクリル酸ウレタン重合体、およびモノメタクリル酸プロピレングリコールを含む。ＳＬＡは液体光重合体を使用することができるが、その建浴槽の上方で紫外光レーザが掃引可能であり、液体光重合体の固化層が建浴槽の中へ沈降される。ＳＧＣも同様の技法が使用可能であるが、固化層は、固体構築プラットフォーム上で支持される。

固体の形態にある構築材料の布設を伴う方法には、ＳＬＭ、ＦＤＭ、ＬＯＭ、および３ＤＰが含まれる。ＳＬＳは、２つの構築材料粉末マガジンの上方を前後に往復動するレベリング・ローラと、このローラによって構築プラットフォーム上に塗布された粉末皮膜から構築材料を選択的に焼結するレーザとを使用することができる。３ＤＰ法は構築材料粉末のベッドを使用できるが、その上に接着剤がインクジェットによって選択的に噴霧されて、固められた構築材料の連続層を形成する。３ＤＰ法は、接着剤による粉末の不均一な湿潤と、固められた構築材料粒子間の空隙の存在との結果として、相対的に粗く、多孔性の構造を有するコンジット１００を生み出すことができる。接着剤の過剰な適用は、相対的にまたは過剰に大きな隆起マイクロスケール特徴構造が製造される結果となりうる。一実施例では、狭い粒子サイズ分布および非常に小さい粒子を有する構築材料粉末が選択可能である。別の実施態様として、接着剤を適用する前に、粉末の詰込み均一性が慎重に制御されうる。一実施例として、インクジェットによって噴霧された接着剤小滴の平均サイズの少なくとも約１０分の１未満の平均粒子サイズを有する構築材料粉末が選択可能である。このような構築材料粉末は、別様に液体構築材料のインクジェット・プリンティングを使用するときに得られる場合よりも、コンジット１００が構築されるときに、その縮みが少なくなる結果となりうる。ＦＤＭ法は、プラスチック・ワイヤの融解およびインクジェット噴霧を使用することができる。ＬＯＭ法は、構築材料のシートの薄い層を連続的にレーザ切断しかつ接着することを伴いうる。

他の実施例として、３−Ｄラピッド・プロトタイプ製造装置は、コンジット１００を製造するために構築材料ではなく支持体材料が布設されるように、コンジット１００の陰像でプログラム可能である。一実施態様では、３−Ｄシステムズ・インコーポレイテッド社から市販のＶｉｓｉＪｅｔ（登録商標）Ｓ−１００ＭｏｄｅｌＭａｔｅｒｉａｌ、すなわち、水酸化されたワックス組成物が、支持体材料として使用可能である。

ステップ６１０で、コンジット１００に関する３−Ｄ構築向きが選択可能である。一実施例として、図１を参照すると、コンジット１００は、長手軸１０８の方向へまたはチャネル１０６の直径１２６に平行な横断方向へ構築されうる。一実施態様では、コンジット１００に関する構築向きは、隆起マイクロスケール特徴構造１１２が、その製造時に支持体材料を堆積する必要が最小化または排除されるような方向へ構築されるように選択されうる。一実施例として、ＳＬＡを使用して長手軸１０８の方向へコンジット１００を製造するのに、支持体材料の最小限の布設のみで済ますことができる。隆起マイクロスケール特徴構造１１２が連続的な畝の形態にある別の実施例では、ＳＬＡ、ＦＤＭ、ＬＯＭ、３ＤＰ、またはＩｎＶｉｓｉｏｎジェットプリンタを使用して長手軸１０８の方向へコンジット１００を製造するのに、支持体材料の布設をいずれも不要にすることができる。

図７は、長手軸１０８を有するチャネル１０６と境を接するライニング１０４を有するコンジット本体１０２を含むコンジット１００の一実施例の実施態様を示す斜視図であるが、このライニングはライニング基部１１０を含み、ライニングは、図６の方法にしたがう製造時に、このライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造１１２を含む。コンジット１００は、矢印７０４の方向へ構築支持体７０２の上で製造される。支持体材料７０６は、コンジット１００が構築されるときにその下方の構築支持体７０２上に布設される。一般に、隆起マイクロスケール特徴構造１１２の構築が、その先端から始まってこれらの特徴構造を一体に保持するライニング基部１１０の形成で終わる場合、構築材料の布設時に、隆起マイクロスケール特徴構造間の空虚な空間全体が、支持体材料で充填されている必要がありうる。

ステップ６１２で、構築材料が構築支持体上に布設されて、基部および隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造として製造される。一実施例として、それにしたがって、コンジット１００は図７に示したように製造されうる。一実施態様では、構築材料の層を布設するサイクル毎に、矢印７０４の方向への構築材料の水平な堆積を維持するために、この層の切削加工を含みうる。このような様態では、得られるコンジット１００の厳密な構築寸法が制御可能である。一実施例として、隆起マイクロスケール特徴構造１１２は、切削加工が、隆起マイクロスケール特徴構造を破損するのではなく、堆積されつつある構築材料層のきれいな摩損をもたらすように、柔軟な材料から製造されうる。一実施態様では、３−Ｄラピッド・プロトタイプ製造装置によって使用される場合に、インクジェット・ノズルは、ジェット・ノズルの詰まりをいずれも検出かつ除去するために布設サイクル後毎に検査されうる。

図７におけるように、製造時にコンジット１００を機械的に支持するために支持体材料が布設される場合には、支持体材料は、引き続いてステップ６１４で除去されうる。実施例として、支持体材料の組成は、熱を加えることによって、または適切な溶剤の中で支持体材料を選択的に溶解することによって、支持体材料が選択的に除去されるように選択可能である。一実施例として、支持体材料はワックスでよい。次いで、方法６００はステップ６１６で終了する。

図７を参照すると、布設ステップ６１２は、コンジット１００の形成が完了する前に終了されることが理解される。その場合に、得られる装置は、非平面的なライニング基部１１０上に隆起マイクロスケール特徴構造を含む。

また方法６００は、図３に示したキャビティ３００を製造するために同様の様態で使用することができる。一実施態様では、ステップ６１０で、隆起マイクロスケール特徴構造３１２が、概ね開放端３１６に向かう方向へ、最初にライニング３０４の床面３１４の上に、次いでライニングの他の部分上に製造されるように、３−Ｄ構築向きが選択されうる。

コンジット１００およびキャビティ３００は、ライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを含むライニングを有するコンジットまたはキャビティが有用である広範囲の最終用途で利用可能である。一実施例として、コンジット１００は、超低摩擦液体の流れを容易化することができる。バイオチップおよびマイクロ反応器のようなマイクロチャネルを内蔵する装置が、方法６００によって製造可能であり、かつこのようなコンジットを組み込むことができる。一実施態様では、キャビティ３００は、生物学的および化学的試薬の一時保管容器として、または反応容器としての役目を果たすことが可能であり、試薬が水溶液の形態にある場合には自己浄化が可能である。また隆起マイクロスケール特徴構造は、平面的または非平面的基部の他の構成と一緒に一体構造として製造可能である。

幾つかの場合に以上の説明が、ライニング基部と一体構造の隆起マイクロ特徴構造の超疎水性パターンを有する、図１〜７に示したコンジットまたはキャビティに言及するが、本主題は、これらの構造にも、図に示した構造にも限定されないことが理解される。内部空間を画定する基部と一体構造でありかつ超疎水性でありうる隆起マイクロスケール特徴構造を有する、コンジットおよびキャビティならびに他の装置の他の形状および構成が含まれる。同様に、開示された方法は、基部と一体構造である隆起マイクロスケール特徴構造の追加的な超疎水性パターンを製造するために使用されてもよい。

さらには、数多くの実施態様の以上の説明は、例示および説明目的のために提示されたことが理解されよう。本明細書は限定的なものではなく、開示された厳密な形態に特許請求される本発明を限定するものではない。変型および変更が以上の説明に照らして可能であり、かつ本発明を実施することから獲得されうる。特許請求の範囲およびそれらの均等物が、本発明の範囲を画定する。

Claims

長手軸（１０８）を有するチャネル（１０６）と境を接するライニング（１０４）を有するコンジット本体（１０２）を備え、
前記ラインニングはライニング基部（１１０）を含み、
前記ライニングは、前記ライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造（１１２）を含む、装置。
前記コンジット本体は前記ライニングと一体構造である、請求項１に記載の装置。
前記長手軸は湾曲領域を含む、請求項１に記載の装置。
キャビティ（３００）の少なくとも一部を取り囲むキャビティ本体（３０２）を備え、
前記キャビティは、長手軸（３０８）を有するチャネル（３０６）と境を接するライニング（３０４）を有し、
前記ライニングはライニング基部（３１０）を含み、
前記ライニングは、前記ライニング基部と一体構造の隆起マイクロスケール特徴構造（３１２）を含む、装置。
前記キャビティ本体は前記ライニングと一体構造である、請求項４に記載の装置。
前記長手軸は湾曲領域を含む、請求項４に記載の装置。
基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、前記基部および前記隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップ（６０４）と、
前記３次元グラフィックス・デザインを３次元ラピッド・プロトタイプ製造装置に入力するステップ（６０８）と、
構築材料を布設しかつ前記基部および前記隆起マイクロスケール特徴構造を一体構造として製造するステップ（６１２）と、を含む方法。
隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを含む非平面的表面を含む装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップを含む、請求項７に記載の方法。
隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有する装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップを含み、前記特徴構造は、前記装置の内部領域を形成する、請求項７に記載の方法。
基部上に隆起マイクロスケール特徴構造の超疎水性パターンを有し、前記基部および前記隆起マイクロスケール特徴構造が一体構造である装置に、３次元グラフィックス・デザインを提供するステップと、
前記３次元グラフィックス・デザインを陰像として３次元ラピッド・プロトタイプ製造装置に入力するステップと、
支持体材料を布設しかつ前記基部および前記隆起マイクロスケール特徴構造を一体構造として製造するステップと、を含む方法。