WO2015124823A1 - Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua y procedimiento de obtención de esta - Google Patents

Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua y procedimiento de obtención de esta Download PDF

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Enric BERTRÁN SERRA
Roger Amade Rovira
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Definitions

  • the present invention relates to a surface with diffuse light reduction properties by condensation of water that guarantees high durability and high anti-fog efficiency.
  • the surfaces provided with anti-fogging means are known, that is to say surfaces provided with properties for reducing the diffusion by condensation of water.
  • the surfaces treated with oxides that are combined with organic compounds and that are transparent are known, whose purpose is to convert the surface to superhydrophilic.
  • These oxides are generally applied in the form of a coating, the coating being understood as the formation of a thin layer provided with these oxides on the surface to which it is desired to provide anti-fogging characteristics.
  • the present invention proposes a surface with diffuse light reduction properties ("scattering") by water condensation, which is characterized by the fact that it comprises atomic aggregates adhered to the surface and dispersed by it, in which the aggregates are selected from silicon and transition metals, which meet the condition:
  • Ye is the surface energy of the transition metal
  • s is the surface energy of the surface;
  • atomic aggregate a set of grouped atoms must be understood as forming a compact nucleus of nanometric or submicron dimensions.
  • the aforementioned aggregates nanoparticles, nucleations, clusters, nanometric formations
  • the aforementioned aggregates are adhered or embedded, without get to form a coating, but remain as nucleations scattered on the surface.
  • FIG. 1 shows a micrograph made with scanning electron microscopy (SEM), corresponding to a sample of Ti and W nanoparticles deposited on an electronically polished crystalline silicon substrate and with the native silicon oxide layer (Si0 2 / c-Yes). This type of substrate favors the observation of nanoparticles.
  • transition metals and silicon have a very high surface energy, exceeding about 2 J / m 2 , which makes them specially adapted for hydrophilic function.
  • a high surface energy is associated with a high number of possible oxidation states of the atoms that form the isolated structures, especially two or more, which is the case for the mentioned elements.
  • the aggregates can be selected from W, Os, Re, Ti, Cr and Ru, or a combination of these, such as W and Ti. The inventors have been able to verify that these elements, and said combination provide surfaces with excellent anti-fog properties.
  • the aggregates can also be selected from Mo and V. Although, with these elements, less noticeable anti-fog performance is achieved.
  • Pd, Zr and, carbides and metal nitrides such as WC and ZrN can also be used, although with a less marked anti-fog effect.
  • the cores are separated from each other at most a distance of the order of a micrometer.
  • the surface is a surface free of a transparent substrate, and preferably the substrate is glass or polymer and has previously been subjected to an optical polishing in order to perform the optical function necessary for the transmission or reflection of images. crisp and avoid the scattering or diffusion of light.
  • the surface is a free surface of a metallic substrate subjected to an optical polishing in order to perform the optical function necessary for the reflection of sharp images and avoid the dispersion or diffusion of light.
  • the surface is a surface formed by a dielectric structure of one or more layers deposited on a substrate subjected to optical polishing in order to perform the optical function necessary for the transmission or reflection of sharp images and avoid dispersion or diffusion of light
  • the aggregates cover a maximum of 5% of the surface, a percentage above which the reduction in transmittance due to the aggregates may become too high. Obviously, this is the case when high transparency of the device is sought. However, if this is not the case, for example in mirrors, in sunglasses or in glasses with light filters, in which very low transmittances can be had, the application of the invention will also be advantageous when it is desired that no The sharpness of the image is lost.
  • the invention also relates to a method of obtaining a surface with reduction properties of diffusion by condensation of water at a wavelength selected in the range from 100 nm to 50 micrometers, which comprises the steps of: a) Select a wavelength between 100 nm and 50 micrometers for which you want to obtain a reduction of the diffusion by condensation of water through said surface;
  • the aggregates are selected from among W, Ti, Cr, Os, Re and Ru, and combinations thereof. They can also be selected from Mo and V, although in this case the results are less noticeable.
  • step c) is a physical deposition treatment in the vapor phase by sputtering on an optical surface, in which the blank is made of said elements and their alloys and in which the discharge time is selected to obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates product of nucleations.
  • step c) is a physical deposition treatment in vapor phase by evaporation on an optical surface, of a metal composed of any of the mentioned elements that can be evaporated and their alloys and in which the deposition time it is selected to obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates product of nucleations.
  • step c) is a chemical vapor treatment on an optical surface, based on an organometallic compound based on any of the mentioned atoms and their mixtures and in which the deposition time is selected for obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates product of nucleations.
  • step c) is a surface treatment by aerosol deposition and pyrolysis on an optical surface of an organometallic compound based on any of the mentioned atoms and their mixtures and in which the deposition time is selected for obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates product of nucleations.
  • step c) is a treatment of physical vapor deposition on an optical surface by spraying from a target by means of an ion gun, in which the target is made of said elements and their alloys and in which The discharge time is selected to obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates resulting from nucleations.
  • step c) is a treatment of physical vapor deposition on an optical surface by spraying from a target by means of a plasma cannon, in which the target is made of said elements and their alloys and in which The discharge time is selected to obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates resulting from nucleations.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a distribution of aggregates or nucleations on a surface.
  • Figure 2 corresponds to a scanning electron microscopy (SEM) micrograph of a sample of Ti and W nanoparticles deposited on crystalline silicon substrate with the native oxide layer (Si0 2 / c-Si).
  • Figure 3 is a schematic section that shows that a drop of water of smaller diameter than the separation between cores is not affected, but since this is less than the wavelength, it does not affect optically significantly either (the percentage of diffused light generated is low).
  • Figures 4 and 5 are schematic sections that show what happens to a drop of water that has a diameter of the order of separation between aggregates.
  • the contact angle is reduced to very low values and also the convexity of the drop, thereby reducing the diffuse light by the drop and the transmitted image gains significantly in sharpness.
  • the invention relates to a surface with diffuse light reduction properties by condensation of water, characterized by the fact that it comprises atomic aggregates adhered to and dispersed by the surface, in which the aggregates are selected from silicon and transition metals, which preferably meet the condition: Y or > 4 Ys where:
  • the invention also relates to a method of obtaining this surface, specifically a surface with diffusion reduction properties at a wavelength ⁇ selected in the range from 100 nm to 50 micrometers, comprising the steps of: a) Select a wavelength ⁇ between 100 nm and 50 micrometers for which it is desired to obtain a reduction in diffusion through said surface due to condensation;
  • step c) Adhere to the surface atomic aggregates that are selected from among the transition metals that especially meet W, Ti, Ru, Cr, Mo or V or silicon, with a separation between them of the order of the selected ⁇ wavelength or lower;
  • step c) is a physical deposition treatment in the vapor phase by sputtering on an optical surface, in which the blank is made of said elements and their alloys and in which the discharge time it is selected to obtain a surface comprising adhered and punctually distributed aggregates product of nucleations.
  • the W was deposited by sputtering with an excited magnetron with RF power (13.56 MHz).
  • the substrate glass was degreased with a PIRANHA oxidizing solution, and the glass had an optical polish with a transmittance of 92%.
  • the cathode distance (target) to sample was 8 cm.
  • the target was 3 "in diameter and the cathode was cooled with water.
  • the power supplied to the cathode was 30 W direct and 0 W reflected.
  • the autopolarization voltage was -82 V.
  • the W and Ti were deposited by sputtering with an excited magnetron with RF power (13.56 MHz).
  • the substrate glass was degreased with a PIRANHA oxidizing solution, and the glass had an optical polish with a transmittance of 92%.
  • the arrangement of the deposits was as follows: W (0.28 nm) / Ti (0.28 nm) / glass.
  • the cathode distance (target) to sample was 8 cm.
  • the target was 3 "in diameter and the cathode was cooled with water.
  • the power supplied to the cathode was 100 W direct and 9 W reflected for the Ti and 30 W direct and 0 W reflected for the W.
  • the autopolarization voltage was -90 V for Ti, and -85.5 V for W.
  • the deposit time was 2.43 s for the Ti, and 6.4 s for the W.
  • the samples obtained had a very high anti-fog efficiency, superior to the described case of W / glass. It was also found that after two years, this efficacy was maintained, even after rubbing the surfaces with alcohol.
  • the W and Cr were deposited by sputtering with an excited magnetron with RF power (13.56 MHz).
  • the substrate glass was degreased with an oxidizing solution
  • the previous reactor vacuum reached 4.0 ⁇ 10 "4 Pa before the Cr deposit, 3.0 ⁇ 10 " 3 Pa before the W deposit, and 3.2 ⁇ 10 "3 Pa before the Si0 2 deposit.
  • the cathode distance (target) to sample was 8 cm.
  • the target was 3 "in diameter and the cathode was cooled with water.
  • the power supplied to the cathode was 100 W direct and 0 W reflected for Cr and 30 W direct and 0 W reflected for W.
  • the autopolarization voltage it was — 145 V for Cr, and -85.5 V for W.
  • the deposit time was 5 s for Cr, 6.4 s for W and 60 s for Si02.
  • the samples obtained had the highest anti-fog efficiency of all the samples produced.
  • the effect of the combination of Si0 2 / W / Cr is the greatest of those studied.
  • the contact angle measurement immediately after the treatment is generally less than 5 o , that is, it is a superhydrophilic state.
  • the method of impregnating can be done with a cellulosic paper, towel or sponge. It can also be cleaned with soap and water before reactivation to improve the effect.
  • the treated surface has an anti-fog effect that lasts over time depending on environmental pollution or dirt.
  • the surface nanostructure is permanent for at least three years in which it can be repeatedly reactivated. The limit of this effect is marked by adhesion and wear of surface nanostructures.
  • a study of the anti-fog effect has been carried out due to surface structuring by transferring a compact monolayer of nanoparticles (200-400 nm in diameter) onto a solid substrate. This transfer procedure is performed using the widely known Langmuir-Blodgett technique [1]. Subsequently, an ionic bombardment of the surface is carried out that allows the substrate to be textured. This surface engraving process gives the surface an adequate morphology so that the anti-fog effect is obtained.
  • the effect degrades over time due to the three mechanisms mentioned above, except for oxidation, since the Si0 2 particles are already in the most stable oxidation state. Likewise, you can return to the initial state, energetically activated, by the same procedures described above. This allows the anti-fog effect to be regenerated repeatedly and to reduce the surface contact angle.

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Abstract

Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua y procedimiento de obtención de esta Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua, en la que los medios antivaho consisten en agregados atómicos adheridos a la superficie y dispersados por esta, en la que los agregados se seleccionan de entre los metales de transición y el silicio. También se refiere a un procedimiento de obtención de una superficie con propiedades de reducción de la difusión por condensación de agua a una longitud de onda seleccionada en el intervalo que va de 100 nm a 50 micrómetros, que comprende las etapas de seleccionar la longitud de onda, obtener una superficie de vidrio o polímero que ha sido sometida a un pulido óptico y adherir a la superficie agregados atómicos que se seleccionan de entre los metales de transición y el silicio con una separación entre estos del orden de la longitud de onda seleccionada o inferior. De este modo se obtiene una superficie antivaho duradera.

Description

SUPERFICIE CON PROPIEDADES DE REDUCCIÓN DE LA LUZ DIFUSA POR CONDENSACIÓN DE AGUA Y PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE ESTA
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se refiere a una superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua que garantiza una alta durabilidad y una gran eficacia anti-vaho.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidas las superficies provistas de medios antivaho, es decir superficies provistas de propiedades de reducción de la difusión por condensación de agua. Concretamente, son conocidas las superficies tratadas con óxidos que se combinan con compuestos orgánicos y que son transparentes, cuya finalidad es convertir la superficie en superhidrofílica. Estos óxidos se aplican en general en forma de recubrimiento, entendiendo por recubrimiento la formación de una capa delgada provista de estos óxidos sobre la superficie a la que se desea dotar de características anti-vaho.
Ahora bien, este tipo de recubrimientos, de los cuales es un ejemplo el que se describe en US 2007166513, tiene una vida limitada al ser de base orgánica y además su procedimiento de obtención es muy complejo, lo cual los hace inviables para aplicaciones masivas industriales.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para superar las carencias del estado de la técnica, la presente invención propone una superficie con propiedades de reducción de la luz difusa {"scattering") por condensación de agua, que se caracteriza por el hecho de que comprende agregados atómicos adheridos a la superficie y dispersados por esta, en la que los agregados se seleccionan de entre el silicio y los metales de transición, que cumplen con la condición:
donde: Ye es la energía superficial del metal de transición;
Ys es la energía superficial de la superficie; Por agregado atómico, debe entenderse un conjunto de átomos agrupados formando un núcleo compacto de dimensiones nanométricas o submicrométricas.
Por lo tanto, según la presente invención, en lugar de añadir a la superficie un recubrimiento, como se hace en el estado de la técnica, se adhieren o incrustan los mencionados agregados (nanopartículas, nucleaciones, clusters, formaciones nanométricas) aislados, sin que lleguen a formar un recubrimiento, sino que queden como nucleaciones esparcidas por la superficie.
El efecto de estos agregados o nucleaciones es que hacen que la superficie sea superhidrofílica para las gotas que tengan un diámetro mayor que la distancia entre núcleos o agregados. Ello impide que se formen gotas G de superficie convexa con un tamaño superior a un determinado tamaño, tamaño que se seleccionará en función de la longitud de onda a partir de la cual se quiere evitar la difusión o la dispersión de la luz. Es decir, que no se permitirá "sobrevivir" a las gotas de superficie convexa a partir de un cierto tamaño, sino que estás se adherirán a la superficie al hacerse tender el ángulo de contacto (el suplementario de α en la figura 5) hacia 0e.
En la gran mayoría de recubrimientos antivaho se emplean compuestos que sean transparentes, para que su aplicación como medio anti-vaho no suponga una reducción en la transmitancia, que obviamente se desea que no se vea afectada.
Sin embargo, los inventores han podido comprobar que a pesar de la elevada absorción óptica de los elementos seleccionados, su aplicación según la invención apenas reduce la transmitancia global de la superficie, puesto que solamente es necesario adherir o incrustar las estructuras (nanopartículas, clusters o agregados) aisladas necesarias para evitar la formación de gotas a partir de un cierto tamaño, es decir, que no se necesita realizar un recubrimiento continuo (figura 1 ), y la mayor parte de la superficie permanecerá transparente. La figura 2 muestra una micrografía realizada con microscopía electrónica de barrido (SEM), correspondiente a una muestra de nanopartículas de Ti y W depositadas sobre un substrato de silicio cristalino pulido a grado electrónico y con la capa de óxido de silicio nativo (Si02/c-Si). Este tipo de substrato favorece la observación de las nanopartículas. En especial, los metales de transición y el silicio presentan una energía superficial muy elevada, superior a unos 2 J/m2, lo cual los hace especialmente adaptados para la función hidrofílica.
Químicamente, una energía superficial elevada está asociada a un número elevado de posibles estados de oxidación de los átomos que forman las estructuras aisladas, en especial dos o más, lo cual es el caso para los elementos mencionados. Los agregados pueden seleccionarse de entre W, Os, Re, Ti, Cr y Ru, o una combinación de estos, como por ejemplo W y Ti. Los inventores han podido comprobar que estos elementos, y la mencionada combinación proporcionan superficies con propiedades antivaho excelentes. Los agregados también pueden seleccionarse de entre Mo y V. Aunque, con estos elementos se consiguen prestaciones antivaho menos notorias.
También se puede utilizar Pd, Zr y, carburos y nitruros metálicos tales como WC y ZrN, aunque con un efecto anti-vaho menos marcado.
Ventajosamente, los núcleos están separados entre sí como máximo una distancia del orden de un micrómetro.
Más ventajosamente, la superficie es una superficie libre de un sustrato transparente, y preferentemente el sustrato es de vidrio o de polímero y ha sido previamente sometida a un pulido óptico con el fin de realizar la función óptica necesaria para la transmisión o la reflexión de imágenes nítidas y evitar la dispersión o difusión de la luz.
Más ventajosamente, la superficie es una superficie libre de un substrato metálico sometido a un pulido óptico con el fin de realizar la función óptica necesaria para la reflexión de imágenes nítidas y evitar la dispersión o difusión de la luz.
Más ventajosamente, la superficie es una superficie formada por una estructura dieléctrica de una o más capas depositadas sobre un sustrato sometido a un pulido óptico con el fin de realizar la función óptica necesaria para la transmisión o la reflexión de imágenes nítidas y evitar la dispersión o difusión de la luz. Finalmente, los agregados cubren como máximo un 5% de la superficie, porcentaje por encima del cual la reducción de la transmitancia debida a los agregados puede llegar a ser demasiado elevada. Evidentemente, este es el caso cuando se busca una alta transparencia del dispositivo. Ahora bien, si este no es el caso, como por ejemplo en espejos, en gafas de sol o en gafas con filtros de luz, en las que se pueden tener transmitancias muy bajas, la aplicación de invención también será ventajosa cuando se desee que no se pierda la nitidez de la imagen.
La invención también se refiere a un procedimiento de obtención de una superficie con propiedades de reducción de la difusión por condensación de agua a una longitud de onda seleccionada en el intervalo que va de 100 nm a 50 micrómetros, que comprende las etapas de: a) Seleccionar una longitud de onda entre 100 nm y 50 micrómetros para la que se quiere obtener una reducción de la difusión por condensación de agua por dicha superficie;
b) Obtener una superficie de vidrio o polímero que ha sido sometida a un pulido óptico;
c) Adherir a la superficie agregados atómicos que se seleccionan de entre los metales de transición y el silicio con una separación entre estos del orden de la longitud de onda seleccionada o inferior;
Preferentemente, los agregados se seleccionan de entre W, Ti, Cr, Os, Re y Ru, y combinaciones de estos. También se pueden seleccionar de entre Mo y V, aunque en este caso los resultados son menos notorios.
Según una primera variante, la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor por pulverización catódica sobre una superficie óptica, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
Según una segunda variante, la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor por evaporación sobre una superficie óptica, de un metal compuesto por cualquiera de los elementos mencionados que se pueden evaporar y sus aleaciones y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones. Según una tercera variante, la etapa c) es un tratamiento de depósito químico en fase vapor sobre una superficie óptica, a partir de un compuesto organometálico basado en cualquiera de los átomos mencionados y sus mezclas y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
Según una cuarta variante, la etapa c) es un tratamiento de superficie mediante depósito por aerosol y pirólisis sobre una superficie óptica, de un compuesto organometálico basado en cualquiera de los átomos mencionados y sus mezclas y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
Según una quinta variante, la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor sobre una superficie óptica por pulverización desde un blanco mediante cañón de iones, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones. Según una sexta variante, la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor sobre una superficie óptica por pulverización desde un blanco mediante cañón de plasma, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se ilustran los principios subyacentes a la invención.
La figura 1 es vista en planta esquemática de una distribución de agregados o nucleaciones sobre una superficie. La figura 2 corresponde a una micrografía realizada con microscopio electrónico de barrido (SEM) de una muestra de nanopartículas de Ti y W depositadas sobre substrato de silicio cristalino con la capa de óxido nativo (Si02/c-Si). La figura 3 es una sección esquemática que muestra que una gota de agua de diámetro inferior a la separación entre núcleos no se ve afectada, pero como este es inferior a la longitud de onda, tampoco afecta ópticamente de forma importante (el porcentaje de luz difusa generada es bajo).
Las figura 4 y 5 son secciones esquemáticas que muestran lo que le ocurre a una gota de agua que tiene un diámetro del orden de la separación entre agregados. El ángulo de contacto se reduce a valores muy bajos y también la convexidad de la gota, con lo cual se reduce la luz difusa por la gota y la imagen transmitida gana significativamente en nitidez.
DESCRIPCIÓN DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Tal como puede apreciarse en la figura 1 , la invención se refiere a una superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua, caracterizada por el hecho de que comprende agregados atómicos adheridos a la superficie y dispersados por ésta, en la que los agregados se seleccionan de entre el silicio y los metales de transición, que preferiblemente, cumplen con la condición: Yo > 4Ys donde:
Ye es la energía superficial del metal de transición;
Ys es la energía superficial de la superficie;
Al tratarse de elementos hidrofílicos, al depositarse una gota de agua G de tamaño inferior a la separación entre agregados, nada ocurre, tal como se ilustra en la figura 3. Pero como se trata de una gota cuyo diámetro es inferior a la longitud de onda para la cual se quiere evitar la difusión, no provoca difusión apreciable de la luz.
En cambio, tal como se aprecia en la figura 4, si se deposita una gota cuyo diámetro es del orden de la separación media entre agregados, entonces sí que se produciría difusión apreciable para una longitud de onda λ correspondiente a dicha separación media. Ahora bien, como la separación entre núcleos se selecciona para que sea del orden de esta longitud onda, estos "capturan" a la gota G, impidiendo que sobreviva como tal, de modo que se adhiere a la superficie tal como se ilustra en la figura 5, donde se aprecia que el ángulo de contacto "theta" 0 es próximo a 0e, de modo que la gota forma una película que no provoca, o apenas provoca difusión. A continuación se proporciona una tabla en la que se presentan los ángulos de contacto medidos sin y con los agregados, en especial para el W, el Ti, y combinaciones de estos en diferentes órdenes:
Figure imgf000009_0001
Se destaca que los vidrios empleados eran diferentes, de donde la diferencia en el ángulo de contacto antes de someterlos al tratamiento antivaho. Puede utilizarse tanto vidrio limpio, vidrio silanizado, teflón o poliestireno. También podrían emplearse Si02-cristobalita, Si02-Cuarzo, o vidrio Si02 puro. La invención también se refiere a un procedimiento de obtención de esta superficie, concretamente a una superficie con propiedades de reducción de la difusión a una longitud de onda λ seleccionada en el intervalo que va de 100 nm a 50 micrometros, que comprende las etapas de : a) Seleccionar una longitud de onda λ entre 100 nm y 50 micrometros para la que se quiere obtener una reducción de la difusión por dicha superficie debido a la condensación;
b) Obtener una superficie de vidrio o polímero que ha sido sometida a un pulido óptico;
c) Adherir a la superficie agregados atómicos que se seleccionan de entre los metales de transición que cumplan en especial W, Ti, Ru, Cr, Mo ó V ó el silicio, con una separación entre estos del orden de la longitud de onda λ seleccionada o inferior; Según una realización preferida del procedimiento, la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor por pulverización catódica sobre una superficie óptica, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
Descripción del proceso de obtención de una superficie de vidrio con agregados atómicos de W
El W se depositó mediante sputtering con un magnetrón excitado con potencia RF (13,56 MHz).
Previamente, el vidrio del sustrato se desengraso con una solución oxidante PIRANHA, y el vidrio tenía un pulido óptico con una transmitancia de 92%.
La disposición de los depósitos fue la siguiente:
W (0,28 nm) / vidrio.
Donde el espesor representa el que se obtendría si el depósito se hiciera por capas.
El vacío previo del reactor llegó a 3,1 ·10 4 Pa antes del depósito del W.
Para realizar el depósito se introdujeron 20 sccm de argón de 99,999% de pureza. La presión del reactor durante el depósito se mantuvo constante a 1 ,03 Pa, con un sistema retroalimentado con sensor de presión capacitivo y válvula motorizada.
La distancia cátodo (target) a muestra era de 8 cm. El target era de 3" de diámetro y el cátodo estaba refrigerado con agua. La potencia suministrada al cátodo era de 30 W directos y 0 W reflejados. La tensión de autopolarización fue de -82 V.
El tiempo de depósito fue de 6,4 s. Las muestras obtenidas presentaban una eficacia antivaho bastante elevada.
También se pudo comprobar que tras dos años, el efecto perduraba. Descripción del proceso de obtención de una superficie de vidrio con agregados atómicos de W v Ti
El W y el Ti se depositaron mediante sputteríng con un magnetrón excitado con potencia RF (13,56 MHz).
Previamente, el vidrio del sustrato se desengraso con una solución oxidante PIRANHA, y el vidrio tenía un pulido óptico con una transmitancia de 92%.
La disposición de los depósitos fue la siguiente: W(0,28 nm) / Ti(0,28nm) / vidrio.
Donde los espesores representan aquellos que se obtendrían si las depósitos se hicieran por capas. El vacío previo del reactor llegó a 5,3·10"4 Pa antes del depósito del Ti, y a 1 ,3·10 3
Pa antes del depósito del W.
Para realizar los depósitos se introdujeron 20 sccm de argón de 99,999% de pureza. La presión del reactor durante el depósito se mantuvo constante a 1 ,03 Pa, con un sistema retroalimentado con sensor de presión capacitivo y válvula motorizada.
La distancia cátodo (target) a muestra era de 8 cm. El target era de 3" de diámetro y el cátodo estaba refrigerado con agua. La potencia suministrada al cátodo era de 100W directos y 9 W reflejados para el Ti y de 30 W directos y 0 W reflejados para el W. La tensión de autopolarizacion fue de -90 V para el Ti, y de -85,5 V para el W.
El tiempo de depósito fue de 2,43 s para el Ti, y de 6,4 s para el W.
Las muestras obtenidas presentaban una eficacia antivaho muy elevada, superior al caso descrito de W / vidrio. También se pudo comprobar que tras dos años, esta eficacia se mantenía, incluso tras haber frotado las superficies con alcohol.
El efecto de la combinación de W / Ti da unos resultados mucho más notables que cuando se utiliza sólo uno de los dos metales.
Descripción del proceso de obtención de una superficie de vidrio con agregados atómicos de W y Cr recubiertos for una capa ultradelqada de SiO?
El W y el Cr se depositaron mediante sputteríng con un magnetrón excitado con potencia RF (13,56 MHz).
Previamente, el vidrio del sustrato se desengrasó con una solución oxidante
PIRANHA, y el vidrio tenía un pulido óptico con una transmitancia de 92%.
La disposición de los depósitos fue la siguiente:
Si02(10 nm) / W(0,28 nm) / Cr(0,28nm) / vidrio.
Donde los espesores representan aquellos que se obtendrían si las depósitos se hicieran por capas.
El vacío previo del reactor llegó a 4.0 ·10"4 Pa antes del depósito del Cr, a 3.0·10"3 Pa antes del depósito del W, y a 3.2·10"3 Pa antes del depósito del Si02.
Para realizar los depósitos se introdujeron 20 sccm de argón de 99,999% de pureza. La presión del reactor durante el depósito se mantuvo constante a 1 ,03 Pa, con un sistema retroalimentado con sensor de presión capacitivo y válvula motorizada. Para el depósito de Si02 se utilizó una mezcla de gases Ar y 02 para producir oxido de silicio estequiométrico.
La distancia cátodo (target) a muestra era de 8 cm. El target era de 3" de diámetro y el cátodo estaba refrigerado con agua. La potencia suministrada al cátodo era de 100 W directos y 0 W reflejados para el Cr y de 30 W directos y 0 W reflejados para el W. La tensión de autopolarización fue de—145 V para el Cr, y de -85,5 V para el W.
El tiempo de depósito fue de 5 s para el Cr, de 6,4 s para el W y de 60 s para el Si02.
Las muestras obtenidas presentaban la eficacia antivaho más elevada de todas las muestras producidas. El efecto de la combinación de Si02 / W / Cr es el mayor de los estudiados.
Una vez realizado el tratamiento de estructuración de superficie descrito, la medida del ángulo de contacto inmediatamente después del tratamiento es en general inferior a 5o, es decir, es un estado superhidrofílico.
Sin embargo, se ha observado que la superficie tratada va perdiendo el efecto antivaho con el tiempo debido a la contaminación atmosférica, suciedad, polvo, etc. Esta desactivación está relacionada con un efecto de a) corrosión u oxidación de las nanoestructuras, b) una disminución de los enlaces libres o bien c) por una formación de depósitos contaminantes que ocultan la nanoestructura. En los tres casos se manifiesta un incremento del ángulo de contacto hasta valores entre 20 ° y 30° en los que generalmente se estabiliza. El estado superhidrofílico es un estado activado energéticamente e inestable, y tiende de forma natural a un estado energéticamente desactivado con la exposición a la humedad, al oxígeno, a la contaminación ambiental, suciedad, etc. Es posible la reactivación del efecto anti-vaho, con una recuperación de los ángulos de contacto bajos, mediante diversos procedimientos. La reposición del estado de activación energético puede realizarse de diversas formas: a) Reducción química con una solución ácida no oxidante (por ej. HCI, HF, ácido acético, cítrico, etc.) o decapante con ácido ortofosfórico.
b) Limpieza mecánica de la superficie mediante frotamiento.
c) Reconstrucción de enlaces colgantes mediante bombardeo iónico, exposición a un plasma o exposición a radiación ionizante (UV, RX, etc)
d) Adición de una sustancia activada como surfactantes o sustancias hidrofílicas
Además, existen diversos procedimientos para reactivar fácilmente la superficie nanoestructurada:
1 . Impregnando la superficie con una capa delgada de aceite vegetal o animal
2. Impregnando la superficie con una capa delgada de glicerina
3. Utilizando surfactantes del tipo laureato o lutensol impregnados sobre la superficie
4. O simplemente frotando con el dedo. Este procedimiento tiene un doble efecto; por un lado limpia mecánicamente la superficie y por otro, la impregna con una capa de lípidos, sales y diversos compuestos orgánicos propios de la transpiración.
El método para impregnar puede realizarse con un papel celulósico, toalla o esponja. También se puede limpiar con agua y jabón previamente a su reactivación para mejorar el efecto. La superficie tratada presenta un efecto anti-vaho que perdura en el tiempo en función de la contaminación ambiental o suciedad. Sin embargo, la nanoestructura de la superficie es permanente al menos durante tres años en los que se puede reactivar repetidamente. El límite de este efecto viene marcado por la adherencia y por el desgaste de las nanoestructuras superficiales.
Se ha observado en todos los casos la reactivación del efecto anti-vaho en superficies nanoestructuradas.
Otros procedimientos de nanoestructuración superficial basados en la técnica de Langmuir-Blodgett.
Se ha realizado un estudio del efecto anti-vaho debido a estructuración superficial mediante la transferencia de una monocapa compacta de nanopartículas (200-400 nm de diámetro) sobre un sustrato sólido. Este procedimiento de transferencia se realiza mediante la técnica de Langmuir-Blodgett ampliamente conocida [1 ]. Posteriormente, se realiza un bombardeo iónico de la superficie que permite texturizar el sustrato. Este proceso de gravado superficial confiere a la superficie una morfología adecuada para que se obtenga el efecto anti-vaho.
El efecto se va degradando con el tiempo debido a los tres mecanismos anteriormente mencionados, exceptuando la oxidación, ya que las partículas de Si02 ya se encuentran en el estado de oxidación más estable. Asimismo, se puede retornar al estado inicial, energéticamente activado, mediante los mismos procedimientos arriba descritos. Esto permite regenerar el efecto anti-vaho repetidamente y disminuir el ángulo de contacto superficial.
A pesar de que se ha hecho referencia a tres realizaciones concretas de la invención, es evidente para un experto en la materia que la superficie y los procedimientos descritos son susceptibles de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser sustituidos por otros técnicamente equivalentes, sin apartarse del ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas. Referencias
[1 ] EJ Cabrera, LM Jaller, R Amade, SM Portal, E Pascual, E Bertrán, Photonic Characteristics of Langmuir-Blodgett Self-Assembled Monolayers of Colloidal Silica Particles, Nanoscience and Nanotechnology Letters, 2013, 5, 41 -45

Claims

REIVINDICACIONES
1. Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua, caracterizada por el hecho de que comprende agregados atómicos adheridos a la superficie y dispersados por esta, en la que los agregados se seleccionan de entre el silicio y los metales de transición, que cumplen con la condición:
Donde:
Ye es la energía superficial del metal de transición; Ys es la energía superficial de la superficie;
2. Superficie según la reivindicación 1 , en la que los agregados se seleccionan de entre W, Ti, Cr, Os, Re y Ru o combinaciones de éstos.
3. Superficie según la reivindicación 1 , en la que los agregados se seleccionan de entre Mo y V.
4. Superficie según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichos núcleos están separados entre sí como máximo una distancia del orden de un micrómetro.
5. Superficie según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que es una superficie libre de un sustrato transparente.
6. Superficie según la reivindicación anterior, en el que el sustrato es de vidrio o de polímero.
7. Superficie según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la superficie ha sido sometida a un pulido óptico.
8. Superficie según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los agregados cubren como máximo un 5% de la superficie.
9. Procedimiento de obtención de una superficie con propiedades de reducción de la difusión por condensación de agua a una longitud de onda seleccionada en el intervalo que va de 100 nm a 50 micrómetros, que comprende las etapas de: a) Seleccionar una longitud de onda entre 100 nm y 50 micrómetros para la que se quiere obtener una reducción de la difusión por condensación de agua por dicha superficie; b) Obtener una superficie de vidrio o polímero que ha sido sometida a un pulido óptico; c) Adherir a la superficie agregados atómicos que se seleccionan de entre los metales de transición que cumplan la condición
y el silicio, con una separación entre agregados del orden de la longitud de onda seleccionada o inferior;
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que los agregados se seleccionan de entre W, Ti, Cr, Os, Re y Ru o combinaciones de éstos.
11. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que los agregados se seleccionan de entre Mo y V.
12. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor por pulverización catódica sobre una superficie óptica, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
13. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor por evaporación sobre una superficie óptica, de un metal compuesto por cualquiera de los elementos mencionados que se pueden evaporar y sus aleaciones y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
14. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de depósito químico en fase vapor sobre una superficie óptica, a partir de un compuesto organometálico basado en cualquiera de los átomos mencionados y sus mezclas y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
15. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de superficie mediante depósito por aerosol y pirólisis sobre una superficie óptica, de un compuesto organometálico basado en cualquiera de los átomos mencionados y sus mezclas y en el que el tiempo de depósito se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
16. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor sobre una superficie óptica por pulverización desde un blanco mediante cañón de iones, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
17. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa c) es un tratamiento de depósito físico en fase vapor sobre una superficie óptica por pulverización desde un blanco mediante cañón de plasma, en el que el blanco está hecho de los mencionados elementos y sus aleaciones y en el que el tiempo de descarga se selecciona para obtener una superficie que comprende adheridos y distribuidos puntualmente unos agregados producto de nucleaciones.
PCT/ES2015/070116 2014-02-20 2015-02-20 Superficie con propiedades de reducción de la luz difusa por condensación de agua y procedimiento de obtención de esta WO2015124823A1 (es)

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