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Dokumentenidentifikation DE102006007800B3 04.10.2007
Titel Strukturierungsverfahren und Bauteil mit einer strukturierten Oberfläche
Anmelder Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 80539 München, DE
Erfinder Spatz, Joachim P., Prof.Dr., 89520 Heidenheim, DE;
Gräter, Stefan, Dipl.-Chem., 73732 Esslingen, DE
Vertreter v. Bezold & Partner, 80799 München
DE-Anmeldedatum 20.02.2006
DE-Aktenzeichen 102006007800
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20060220, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81B 1/00(2006.01)A, L, I, 20060220, B, H, DE   B81B 7/04(2006.01)A, L, I, 20060220, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche (10), die eine Viehlzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, umfasst die Schritte gegenseitige Berührung einer Stempelfläche (21.1, 21.2) und einer Musterfläche (31.1, 31.2), wobei wenigstens eine der Stempelfäche (21.1., 21.2) und der Musterfläche (31.1., 31.2) eine fließfähige Substanz (20) aufweist, Trennungsbewegung der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1., 31.2), wobei Fadenverbindungen (22) der fließfähigen Substanz (20) zwischen der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) gezogen werden, und Unterbrechung der Fadenverbindungen (22), so dass auf wenigstens einer der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) die fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden. Es werden Bauteile (100) beschrieben, die mit diesem Verfahren hergestellt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche, die eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen aufweist, und ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil.

Es ist bekannt, dass Grenzflächeneigenschaften, optische Eigenschaften oder elektrische Eigenschaften von Oberflächen durch eine Oberflächenstrukturierung modifiziert werden können. Dabei sind in der Praxis insbesondere Strukturen mit typischen Dimensionen im &mgr;m- bis nm-Bereich, z. B. auf Oberflächen von elektronischen oder optischen Bauelementen, Sensoren und dgl. von Interesse. Beispielsweise werden von Z. Yoshimitsu et al. ("Langmuir" Bd. 18, 2002, S. 5818–5812) mikrostrukturierte Oberflächen beschrieben, mit denen eine Flüssigkeitsbenetzung unterdrückt werden kann. Mit einer Anordnung von Säulen mit einer Dicke von 50 &mgr;m und einer Höhe von 148 &mgr;m auf einer Oberfläche kann für Wassertropfen ein Kontaktwinkel oberhalb von 150° erreicht werden. Des Weiteren ist bekannt, durch eine Strukturierung ein gegenseitiges Anhaften von sich berührenden Oberflächen zu erreichen (siehe US 6 737 160 B1 oder Spolenok, R. et al. in "Acta Biomat." Bd. 1, 2005, S. 5–13, DE 102 23 234 A1 Auch der so genannte Lotuseffekt (siehe z. B. EP 1 171 529 B1) wird mit der Zusammenwirkung der chemischen Zusammensetzung einer Oberfläche mit deren Mikrostrukturierung erklärt.

Die Wirkungen von Oberflächenstrukturen wurden bisher meist im Rahmen von Experimenten im Laboratorium beschrieben. Eine routinemäßige Anwendung in der Praxis ist bisher jedoch nur beschränkt möglich. So hat die Erzeugung einer strukturierten Oberfläche mit einer Massenanordnung von fadenförmigen Vorsprüngen mit photolithographischen Techniken oder Ätzverfahren die folgenden Nachteile. Erstens sind die Verfahren mit einem hohen technischen Aufwand verbunden. Die Strukturierung ausgedehnter Oberflächen würde zu extrem hohen Kosten führen. Des Weiteren können mit den genannten Techniken Vorsprünge mit typischen Dimensionen im Nanometerbereich (< 1 &mgr;m) typischerweise nur geringe Aspektverhältnisse (Verhältnis Länge Durchmesser der Vorsprünge) unterhalb von 20 erreicht werden. Für zahlreiche Anwendungen ist jedoch ein Aspektverhältnis von bis zu 100 oder darüber erwünscht. Schließlich bieten die Photolithographie und die Ätzverfahren nur eine beschränkte Variabilität bei der Einstellung einer bestimmten Orientierung oder Form der Oberflächenstrukturen, wie es z. B. für den genannten Anhaftungseffekt von Interesse ist. Des Weiteren können mit den herkömmlichen Techniken nur beschränkt Vorsprünge mit Substrukturen, wie z. B. Dickengradienten, oder vorbestimmten Materialzusammensetzungen hergestellt werden.

In DE 103 53 697 A1 wird ein Gießverfahren zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polymermaterialien beschrieben. Mit diesem Verfahren wird zwar eine Erhöhung des Aspektverhältnisses erzielt. Nachteilig sind jedoch der hohe technische Aufwand des Verfahrens und die Beschränkung auf Erhebungen mit einer geraden Form.

In DE 10 2005 025 636 A1 wird die Herstellung eines Kunststoffgegenstands mit einer feinen Oberflächenstruktur mittels eines Gießverfahrens beschrieben, bei dem eine Monomerlösung in eine Gießform eingespritzt und anschließend polymerisiert wird. Die Herstellung einer einseitig strukturierten Folie aus thermoplastischem Kunststoff unter Verwendung eines Prägeverfahrens ist in DE 1 172 030 B beschrieben. Anwendungen adhäsiver Mikrostrukturen sind in GB 2 223 452 A und in US 6 737 160 B1 beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll mit geringen Kosten selbst bei ausgedehnten Oberflächen realisierbar sein und einen erweiterten Anwendungsbereich haben. Es soll insbesondere eine hohe Variabilität bei der Einstellung von geometrischen, elektrischen, optischen und/oder mechanischen Eigenschaften der Oberflächenstruktur und insbesondere Strukturen mit einem vergrößerten Aspektverhältnis ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Bauteil mit einer strukturierten Oberfläche bereitzustellen, das mit verringertem technischen Aufwand und verringerten Kosten herstellbar ist und eine hohe Variabilität bei der Einstellung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Oberfläche ermöglicht.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren oder ein Bauteil mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 24 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Verfahrensbezogen basiert die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Oberfläche mit fadenförmigen Vorsprüngen bereitzustellen, indem eine fließfähige Substanz zwischen einer Stempelfläche und einer Musterfläche ausgezogen und die dabei gebildeten Fadenverbindungen unterbrochen werden. Die Musterfläche trägt ein vorbestimmtes geometrisches Muster von Oberflächenmodifizierungen chemischen oder topographischen Typs. Das Muster bildet die Vorlage der zu erzeugenden fadenförmigen Vorsprünge. Die Stempelfläche hat eine geometrisch unstrukturierte Oberfläche. Die Musterfläche und die Stempelfläche weisen zueinander passende Formen derart auf, dass sich beide Flächen bei gegenseitiger Annäherung zumindest in Teilbereichen berühren, die eine flächige oder linienförmige Ausdehnung haben können.

Durch eine gegenseitige Berührung der Musterfläche und der Stempelfläche benetzt die fließfähige Substanz, die in oder auf einer oder beiden der Stempel- und Musterflächen vorgesehen ist, die jeweils andere Fläche. Wenn sich die Musterfläche und die Stempelfläche relativ zueinander bewegen, so dass beide Flächen voneinander getrennt werden, werden die Fadenverbindungen als freitragende Flüssigkeitsbrücken aufgespannt. Die Oberflächenform der Fadenverbindungen wird insbesondere durch die Viskosität der Substanz und die Oberflächenspannung der Substanz im aufgespannten Zustand bestimmt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Stempelfläche durch eine freie Oberfläche (Fluidfläche) der fließfähigen Substanz gebildet, aus der mit der Musterfläche die Fadenverbindungen gezogen werden, wobei während oder nach dem Ziehen eine Aushärtung der fließfähigen Substanz vorgesehen ist. Nach einer Trennung der Musterfläche und der Fluidfläche mit einer Unterbrechung der Fadenverbindungen bleiben auf der Fluidfläche, der Musterfläche oder beiden Flächen die gewünschten fadenförmigen Vorsprünge bestehen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die Stempelfläche durch eine Oberfläche eines Festkörpers (Festkörperfläche) gebildet, während die Musterfläche die fließfähige Substanz trägt. Die fließfähige Substanz ist auf der Musterfläche an den voneinander getrennten Teilbereichen (Inseln) mit einer bestimmten geometrischen Verteilung angeordnet, welche die Vorlage für die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge bildet. Bei der Berührung der Festkörperfläche und der Musterfläche haftet die fließfähige Substanz an der Festkörperfläche an, so dass bei der nachfolgenden Trennbewegung beider Flächen zunächst die Fadenverbindungen aufgespannt und bei deren Unterbrechung die fadenförmigen Vorsprünge auf einer der Festkörper- und Musterflächen gebildet werden. Die zweite Ausführungsform der Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass auf die Bereitstellung eines Reservoirs der fließfähigen Substanz verzichtet werden kann.

Vorteilhafterweise können alle fadenförmigen Vorsprünge während des Rückzugs der Musterfläche und der Unterbrechung der Fadenverbindungen gleichzeitig hergestellt werden. Dieses Verfahren ist erheblich einfacher als die herkömmlichen Strukturierungstechniken und problemlos sogar bei ausgedehnten Flächen im dm2- bis m2-Bereich oder darüber anwendbar. Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die fadenförmigen Vorsprünge mit einem extrem hohen Längen-Durchmesser-Aspektverhältnis herstellbar sind. Bei ausreichend hoher Viskosität können die Fadenverbindungen zwischen der Fluidfläche und der Musterfläche eine Länge aufweisen, die z. B. 500-fach höher als der Durchmesser der Fadenverbindung ist.

Vorrichtungsbezogen wird die oben genannte Aufgabe entsprechend durch die allgemeine technische Lehre gelöst, ein Bauteil bereitzustellen, das eine Basisfläche mit einer Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen aus einer fließfähigen, härtbaren Substanz aufweist, wobei die fadenförmigen Vorsprünge eine durch die Oberflächenspannung der Substanz im fließfähigen Zustand gebildete Kontur (Oberflächenform) aufweisen. Die Kontur der fadenförmigen Vorsprünge entspricht wenigstens abschnittsweise oder lokal einer Form, welche die Substanz im fließfähigen, frei zwischen zwei Oberflächen aufgespannten Zustand einnimmt.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Massenanordnung von fadenförmigen Vorsprüngen auf einer Oberfläche bereitgestellt. Mit dem Begriff "fadenförmiger Vorsprung" wird hier ein längliches Gebilde bezeichnet, das sich von einer Basisfläche zu einem freien Ende erhebt. Das Gebilde hat allgemein eine Säulen-, Faden-, Nadel-, Stab- oder Haarform. Die fadenförmigen Vorsprünge bilden Strukturen mit einer Länge im Bereich von einigen 10 Nanometern (z. B. 100 nm) bis zu einigen Zentimetern (z. B. 3 cm) und einem Durchmesser von wenigen Nanometern (z. B. 10 nm) bis zu einigen Millimetern (z. B. 5 mm). Mit dem Begriff "fließfähige Substanz" werden hier alle flüssigen Materialien bezeichnet, die sich fadenförmig zwischen zwei Körpern ziehen und aufspannen lassen und im aufgespannten Zustand ihre Form erhalten. Die Fließfähigkeit ist insbesondere bei der Betriebstemperatur gegeben, bei der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. Eine "strukturierte Oberfläche" ist ein Flächenbereich eines Gegenstandes, der eine Vielzahl der fadenförmigen Vorsprünge trägt.

Vorteilhafterweise werden an die Musterfläche zum Ziehen der Fadenverbindungen, abgesehen von der Kongruenz zur Fluidfläche, keine besonderen Anforderungen gestellt. Wenn die Musterfläche zum Beispiel eine glatte Oberfläche aufweist, kann die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge zufällig oder durch Selbstorganisation erfolgen. Für eine verbesserte Kontrolle der Positionierung der fadenförmigen Vorsprünge sind jedoch Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, bei denen die Anordnung der Fadenverbindungen und der fadenförmigen Vorsprünge durch ein Muster von Adhäsionsinseln (erste Ausführungsform der Erfindung) und/oder Inseln der fließfähigen Substanz (zweite Ausführungsform der Erfindung) bestimmt wird, die auf der Musterfläche vorgesehen sind. Mit dem Begriff "Adhäsionsinsel" wird hier jeder lokal abgegrenzte Bereich auf der Musterfläche bezeichnet, dessen Benetzbarkeit für die fließfähige Substanz im Vergleich zur übrigen Musterfläche erhöht ist oder an dem eine bevorzugte Benetzung durch die fließfähige Substanz gegeben ist. Vorteilhafterweise werden bei der Berührung der Fluidfläche und der Musterfläche zwischen der Substanz und den Adhäsionsinseln Adhäsionskontakte gebildet. Die fließfähige Substanz haftet an den Adhäsionsinseln bevorzugt an, während die Musterfläche zwischen den Adhäsionsinseln ein vermindertes Haftvermögen aufweist. Vorteilhafterweise werden die Fadenverbindungen bei der Trennung der Fluidfläche und der Musterfläche an den Adhäsionsinseln lokalisiert, so dass die geometrische Verteilung der Fadenverbindungen und nach deren Durchbrechung auch die geometrische Verteilung der fadenförmigen Vorsprünge durch das Muster der Adhäsionsinseln auf der Musterfläche vorgegeben wird.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Verwendung einer Musterfläche mit einem bestimmten Muster der Adhäsionsinseln oder Inseln der fließfähigen Substanz die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge genau festgelegt werden kann. In Abhängigkeit von der Funktion der strukturierten Oberfläche oder des erfindungsgemäßen Bauteils können die fadenförmigen Vorsprünge z. B. mit einem regelmäßigen, z. B. quadratischen Gittermuster angeordnet werden. Alternativ kann sich die Dichte der Adhäsionsinseln oder Inseln der fließfähigen Substanz und damit die Dichte der fadenförmigen Vorsprünge entlang der Musterfläche ändern, so dass die strukturierte Oberfläche mit einem Flächendichtegradienten der fadenförmigen Vorsprünge hergestellt werden kann. Die Bereitstellung der Adhäsionsinseln oder der Inseln der fließfähigen Substanz bedeutet eine Vorstrukturierung, mit der die Anordnung der fadenförmigen Vorsprünge auf der Basisfläche kontrolliert wird. Die Vorstrukturierung ist vorteilhafterweise einfach und kostengünstig großflächig realisierbar.

Ein weiterer Vorteil der ersten Ausführungsform der Erfindung besteht in der hohen Variabilität bei der Gestaltung der Adhäsionsinseln. Allgemein kann sich eine Adhäsionsinsel durch ihre Topographie und/oder ihre chemische Zusammensetzung von der unmittelbaren Umgebung unterscheiden. Wenn gemäß der ersten Variante die Adhäsionsinseln durch eine topographische Struktur der Musterfläche gebildet werden, ergeben sich Vorteile in Bezug auf die definierte Abgrenzung und gegenseitige Ausrichtung der Adhäsionsinseln. Die topographische Struktur umfasst vorzugsweise lokale Erhebungen der Musterfläche, welche bei der gegenseitigen Annäherung der Fluidfläche und der Musterfläche die fließfähige Substanz zuerst berühren. In diesem Fall ergeben sich Vorteile in Bezug auf die ausschließliche Benetzung der Adhäsionsinseln. Die Erhebungen werden vorzugsweise durch eine lokale Stufenbildung, wie z. B. durch Partikel oder Schichten auf der Musterfläche gebildet. Alternativ kann die topographische Struktur durch einen fadenförmigen Vorsprung oder einen Teil von diesem gebildet sein, der gemäß der Erfindung in einem Vorbereitungsprozess auf der Musterfläche erzeugt wurde. Die topographische Struktur umfasst alternativ lokale Vertiefungen der Musterfläche, z. B. in Form von Kavitäten, welche bei der Berührung der Fluidfläche und der Musterfläche die fließfähige Substanz aufnehmen.

Wenn gemäß der zweiten Variante die Adhäsionsinseln chemisch modifizierte Bereiche der Musterfläche umfassen, können sich Vorteile für eine Verbesserung des Adhäsionskontakts zwischen der Substanz und der Musterfläche ergeben. Die chemisch modifizierten Bereiche können speziell an die Substanz, aus der die fadenförmigen Vorsprünge hergestellt werden, angepasst sein, um eine gute lokale Anhaftung zu erreichen. Substanzen zur Bereitstellung chemisch modifizierter Adhäsionsinseln sind vorzugsweise die Materialien der zu ziehenden Vorsprünge oder Materialien, die aufgrund ihrer Polarität oder Apolarität eine Bindung mit dem Material der zu ziehenden Vorsprünge eingehen. Im ersten Fall umfassen die Adhäsionsinseln die fließfähige Substanz. Beispiele für die zweite Alternative sind Y-(COOH)x, Y-(NH)x-NH2, Y-(CH2)x, Methylmethacrylate, Y-OH, und Metalle, wie z. B. Gold und Silber (Y: funktioneller chemischer Baustein, der sich mit dem Material der Musterfläche verbindet, z. B. Thiole mit einer OH-Gruppe zur Anbindung auf Au oder Silangruppen zur reaktiven Bildung einer Esterverbindung mit einer Glasoberfläche).

Gemäß einer weiteren Variante können die Adhäsionsinseln durch eine topographische Struktur gebildet sein, die an den Erhebungen oder Abstufungen eine chemische Modifizierung aufweisen. Die Bereitstellung einer chemisch modifizierten, topographischen Struktur hat den besonderen Vorteil einer erhöhten Flexibilität bei der Wahl der beteiligten Materialien, insbesondere einerseits des Materials der Musterfläche und andererseits der fließfähigen Substanz.

Die Adhäsionsinseln bilden die Grundflächen der Fadenverbindungen auf der Seite der Musterfläche. Vorteilhafterweise kann dadurch in Abhängigkeit von der Form der Adhäsionsinseln den Fadenverbindungen und den fadenförmigen Vorsprüngen eine bestimmte Querschnittsform aufgeprägt werden. Beispielsweise können kreisrunde Adhäsionsinseln verwendet werden, um fadenförmige Vorsprünge mit einer kreisrunden Querschnittsfläche zu erzeugen. Für die Bereitstellung einer Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge, z. B. der Young'schen Module der fadenförmigen Vorsprünge können alternativ z. B. elliptische oder eckige Adhäsionsinseln verwendet werden.

Die zweite Ausführungsform der Erfindung liefert vorteilhafterweise ein strukturiertes Bauteil, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge ohne eine zusätzliche topographische und/oder chemische Modifizierung unmittelbar mit der Muster- oder Stempelfläche verbunden sind. Dabei können vorteilhafterweise die folgenden verschiedenen Varianten realisiert werden. Gemäß einer ersten Variante sind die Inseln der fließfähigen Substanz mit der Musterfläche fest verbunden. Die fließfähige Substanz und das Material der Musterfläche sind zueinander chemisch kompatibel, d. h. insbesondere im geschmolzenen Zustand mischbar und/oder geeignet, chemische Verbindungen, z. B. durch Additionsreaktionen einzugehen. Zwischen der fließfähigen Substanz und der Musterfläche ist vorzugsweise eine chemische Verbindung, z. B. durch thermische oder photochemische, radikalische Ankopplung (z. B. über Acrylatgruppen) oder durch partielles Anlösen der fließfähigen Substanz und des Materials der Musterfläche (z. B. durch Lösungsmitteldämpfe) gegeben. Besondere Vorteile für eine zuverlässige Verbindung ergeben sich, wenn die fließfähige Substanz und das Material der Musterfläche die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Beim Ausziehen der Inseln der fließfähigen Substanz nach der Berührung der Muster- und Stempelflächen und der anschließenden Trennungsbewegung werden die fadenförmigen Vorsprünge auf der Musterfläche gebildet. Bei der zweiten Variante werden die fadenförmigen Vorsprünge auf der Festkörperfläche gebildet, indem bei der Berührung der Festkörper- und Musterflächen eine chemische Verbindung zwischen der fließfähigen Substanz und der Festkörperfläche erzeugt wird. In diesem Fall müssen die Inseln der fließfähigen Substanz mit der Musterfläche lediglich eine adhärente Verbindung eingehen. Eine chemische Verbindung ist nicht erforderlich. Bei der zweiten Variante ist entsprechend vorzugsweise die chemische Zusammensetzung der fließfähigen Substanz und des Materials der Festkörperfläche identisch.

Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die Inseln der fließfähigen Substanz vorzugsweise durch kolloide Polymerpartikel gebildet. Diese haben besondere Vorteile bei der Positionierung der fließfähigen Substanz auf der Musterfläche und der Einstellung des Fließverhaltens, z. B. in Abhängigkeit von einer Betriebstemperatur. Die Polymerpartikel bestehen vorzugsweise aus schmelzbaren Polymeren, wie z. B. Polystyrol oder Polyacrylaten. Für die Erzeugung von Feinstrukturen werden vorzugsweise Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 50 nm bis 20 &mgr;m, insbesondere 100 nm bis 10 &mgr;m verwendet.

Gemäß der Erfindung ist eine Aushärtung der fließfähigen Substanz bei der Herstellung der fadenförmigen Vorsprünge vorgesehen. Mit dem Begriff "Aushärtung" wird hier eine Verfestigung der Substanz bezeichnet, bis diese formstabil ist. Vorteilhafterweise kann nach der Aushärtung auf eine zusätzliche Stabilisierung der Vorsprünge z. B. durch eine Deckschicht verzichtet werden. Die Aushärtung erfolgt gemäß einer ersten Variante während des Aufspannens der Fadenverbindungen. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall das Ziehen der Fadenverbindung automatisch durch einen Abriss der Fadenverbindung beendet, sobald die Substanz ausreichend ausgehärtet ist. Gemäß einer zweiten Variante kann vorgesehen sein, dass die Aushärtung der Substanz erst nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen vorgesehen ist. In diesem Fall können sich Vorteile in Bezug auf die Reproduzierbarkeit bei der Einstellung der Länge der fadenförmigen Vorsprünge ergeben.

Vorteilhafterweise können verschiedene Aushärtungsprozesse einzeln oder in Kombination angewendet werden. Beim Verdampfen eines Lösungsmittels aus der Substanz der Fadenverbindung erfolgt die Aushärtung vorteilhafterweise ohne zusätzliche Maßnahmen. Des Weiteren kann eine Verfestigung der Substanz durch eine Abkühlung oder eine Vernetzung der Substanz vorgesehen sein. Die Vernetzung umfasst eine Veränderung der inneren Struktur der Fadenverbindung durch eine chemische oder physikalische Einwirkung, wie z. B. eine Reaktion zwischen verschiedenen Komponenten der fließfähigen Substanz, die durch eine Bestrahlung ausgelöst wird.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung bildet die Musterfläche, die mit den Adhäsionsinseln und/oder den Inseln der fließfähigen Substanz ausgestattet ist, ein Basiselement, von dem die fadenförmigen Vorsprünge hervorragen. Vorteilhafterweise wird damit ein stabiles Bauteil geschaffen, das unmittelbar für die weitere Anwendung benutzt werden kann.

Alternativ sind die fadenförmigen Vorsprünge auf der Fluidfläche der fließfähigen Substanz vorgesehen. In diesem Fall umfasst die Aushärtung der Substanz nicht nur eine Stabilisierung der fadenförmigen Vorsprünge, sondern auch eine Umwandlung der Fluidfläche in eine feste Schicht, welche bei dieser Ausführungsform das Basiselement für die fadenförmigen Vorsprünge bildet. Vorteilhafterweise bestehen dabei das Basiselement und die fadenförmigen Vorsprünge aus dem selben Material.

Gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung kann während der Aushärtung der Substanz, insbesondere nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen eine Formung der fadenförmigen Vorsprünge in Abhängigkeit von einer äußeren, physikalischen oder chemischen Einwirkung vorgesehen sein. Beispielsweise können als fließfähige Substanz Polymere mit einer temperatur- oder pH-Wert-abhängigen Oberflächenspannung oder spezifischen dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften verwendet werden. In diesem Fall können die fadenförmigen Vorsprünge z. B. durch eine Temperierung oder die Bereitstellung eines bestimmten pH-Werts in der Umgebung oder elektrische und/oder magnetische Felder insbesondere während der Aushärtung deformiert werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Flexibilität bei der Auswahl einer Form der fadenförmigen Vorsprünge. In Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche können beispielsweise gerade oder gekrümmte fadenförmige Vorsprünge gebildet werden. Wenn gemäß der ersten Variante die Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche entlang einer geraden Bezugslinie erfolgt, werden die Fadenverbindungen entsprechend gerade aufgespannt. Sie können beispielsweise senkrecht oder geneigt relativ zu den angrenzenden Flächen, z. B. der Fluidfläche oder der Musterfläche sein. Die geraden fadenförmigen Vorsprünge können während des Ziehens oder danach ausgehärtet werden. Für die zweite Variante erfolgt die Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche entlang einer geraden, schiefwinkeligen oder einer gekrümmten Bezugslinie, so dass gebogene, gewinkelte oder sogar verdrillte Vorsprünge erzeugt werden. In diesem Fall erfolgt die Aushärtung während des Ziehens der Fadenverbindungen.

Wenn gemäß einer weiteren Modifizierung der Erfindung eine Variation der Geschwindigkeit des Aufspannens der Fadenverbindungen vorgesehen ist, kann vorteilhafterweise ein zusätzlicher Dickengradient entlang der Länge der fadenförmigen Vorsprünge erzeugt werden. Wenn die Geschwindigkeit der Trennungsbewegung der Fluidfläche und der Musterfläche zunächst gering ist, so weisen die Fadenverbindungen zunächst eine größere Dicke auf, als zu einem späteren Zeitpunkt mit einer höheren Geschwindigkeit der Trennungsbewegung.

Die fließfähige Substanz enthält gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung wenigstens eine Polymerverbindung, wie z. B. mindestens ein organisches Polymer oder mindestens ein organisch/anorganisch zusammengesetztes Polymer. Die Verwendung von mindestens einer Polymerverbindung hat den Vorteil einer besonders einfachen Steuerung der Aushärtung durch Lösungsmittelentzug oder Temperierung. Bevorzugt verwendete Polymere sind Polydimethylsiloxan (PDMS) (mit Zusatzkomponente aushärtbar), Polyvinylpyridin, Polystyrol, Polyphosphazene und Polyethylenglykol. Alternativ enthält die fließfähige Substanz mindestens einen Typ vernetzbarer Monomere (mit ungesättigten Kohlenstoffbindungen), wie z. B. Acrylate, Metacrylate, Alkene, Nitrile und andere Monomergemische aus zwei Komponenten zu einer Polyaddition, Polykondensation o. dgl.

Wenn gemäß einer weiteren Variante der Erfindung die fließfähige Substanz mindestens eine Zusatzsubstanz enthält, mit der wenigstens eine der chemischen, dielektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge modifizierbar sind, ergeben sich besondere Vorteile für die Einstellung einer bestimmten Form der Vorsprünge während der Erzeugung der strukturierten Oberfläche oder bei der Anwendung der strukturierten Oberfläche. Erfindungsgemäß können dynamische, durch externe Einwirkungen schaltbare Oberflächenstrukturen bereitgestellt werden. Als Zusatzsubstanz enthalten die fadenförmigen Vorsprünge z. B. magnetische Kolloide oder Kolloide mit besonderen dielektrischen Eigenschaften. Des Weiteren kann z. B. Polyvinylpyridin als Zusatzsubstanz verwendet werden, das in wässerig-saurer Lösung quillt, während es sich in einem neutralen Medium zusammenzieht.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann eine Spitzenbehandlung der fadenförmigen Vorsprünge vorgesehen sein. Die Spitzenbehandlung umfasst eine Erzeugung von Verdickungen an den freien Enden der fadenförmigen Vorsprünge. Die Spitzenbehandlung ist nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen vorgesehen. Die Spitzenbehandlung umfasst beispielsweise ein lokales Erwärmen der freien Enden der fadenförmigen Vorsprünge, so dass sich an diesen kugelförmige Verdickungen bilden. Gemäß einer weiteren Variante ist eine Beschichtung der fadenförmigen Vorsprünge, z. B. durch eine Vakuumbedampfung, vorgesehen. Schließlich können die fadenförmigen Vorsprünge gemäß einer weiteren Variante der Erfindung in eine Deckschicht eingebettet werden. In diesem Fall kann bei geeigneter Substanzwahl auf eine Aushärtung der fadenförmigen Vorsprünge verzichtet werden.

Bevorzugte Anwendungen erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen bestehen bei der Bildung haftender Oberflächen und bei der Gasspeicherung. Die Gasspeicherung wird durch die dynamisch-mechanischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge ermöglicht. Durch eine Deformation der Vorsprünge kann der Druck einer äußeren Flüssigkeit ausgeglichen und damit eine Benetzung verändert werden, so dass an erfindungsgemäß strukturierten Oberflächen Gase unter Flüssigkeitsschichten gespeichert werden können. Dieser Effekt ist als Plastron-Effekt aus der Natur bekannt und wurde z. B. an bestimmten Unterwassertieren beobachtet (siehe z. B. D. J. Crisp in "Discussions of the Faraday Society London" Bd. 3, 1948, S. 210–220).

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

1 eine schematische Illustration der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche;

2 eine schematische Illustration der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche;

3 bis 7 verschiedene Varianten von erfindungsgemäßen Bauteilen mit strukturierten Oberflächen;

8 eine schematische Illustration einer Apparatur zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche gemäß der Erfindung;

9 eine schematische Illustration der Erzeugung eines fadenförmigen Vorsprungs mit einer Krümmung;

10 eine schematische Illustration einer schaltbaren Oberflächenstruktur gemäß der Erfindung;

11 verschiedene Varianten erfindungsgemäß verwendeter Adhäsionsinseln;

12 bis 14 photographische Darstellungen erfindungsgemäß hergestellter Oberflächenstrukturen; und

15 eine schematische Illustration einer weiteren Apparatur zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche gemäß der Erfindung.

Die Figuren zeigen schematische, vergrößerte Illustrationen, die nicht maßstabsgerecht sind. Es wird insbesondere in den 1 und 2 die Herstellung einer Reihe von nur drei Vorsprüngen gezeigt, während in der Praxis linien- oder flächenförmige Anordnungen von fadenförmigen Vorsprüngen mit einer erheblich höheren Anzahl hergestellt werden. Des Weiteren können die Vorsprünge in der Praxis eine andere Form aufweisen, bei der insbesondere an der Basis der Vorsprünge über eine geringe Länge eine Verjüngung gegeben ist, während über die übrige Länge der Durchmesser der Vorsprünge im Wesentlichen konstant ist.

Die 1A bis 1D illustrieren die Erzeugung einer strukturierten Oberfläche 10 mit einer Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen 11 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. 1A zeigt einen Vorbereitungsschritt, bei dem eine fließfähige Substanz 20 und eine Zieheinrichtung 30 mit einer Musterfläche 31.1 bereitgestellt und relativ zueinander ausgerichtet werden. Die Substanz 20 befindet sich mit einer freien Fluidfläche 21.1 z. B. in einem Gefäß. Die Zieheinrichtung 30 (1A) umfasst eine Antriebseinrichtung und eine Temperiereinrichtung (nicht dargestellt, siehe 6), mit denen die Musterfläche 31.1 beweglich und temperierbar ist. Die Musterfläche 31.1 weist zur Fluidfläche 21.1. Beide Flächen sind eben und parallel zueinander ausgerichtet, die Musterfläche 31.1 trägt Adhäsionsinseln 32, die als Templat für die Bildung der fadenförmigen Vorsprünge 11 dienen.

Die Musterfläche 31.1 umfasst z. B. ein plattenförmiges Substrat aus einer organischen Substanz oder einer anorganischen Substanz (z. B. Kunststoffe, insbesondere PDMS, Polystyrol, Epoxy, PMMA, Acrylat, Keramik, Metall, Halbleiter, insbesondere Au, Ag, TiO2, ZnO2, Si, SiO2, Kohlenstoff-basierte oder – verstärkte Verbundmaterialien). Die Adhäsionsinseln 31.1 umfassen z. B. Partikel mit einem Durchmesser von 4 nm, z. B. aus Gold (so genannte Gold-Nanopunkte), bis in den &mgr;m-Bereich (z. B. 100 &mgr;m), z. B. aus Kolloiden aus Polystyrol, SiO2, TiO2. Die Adhäsionsinseln 31.1 können durch einen Prozess der Selbstorganisation auf der Oberfläche gebildet sein, z. B. aus Polymeren aus photolitographisch hergestellten und/oder mit Stempeln aufgetragenen Substanzen.

In dem Zustand gemäß 1A kann die fließfähige Substanz zunächst noch fest sein. In diesem Fall umfasst der Vorbereitungsschritt eine Erwärmung der Substanz 20 mit einer Heizeinrichtung (nicht dargestellt, siehe 6) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelz- oder Erweichungstemperatur der Substanz 20.

Abweichend von der Illustration gemäß 1 kann vorgesehen sein, dass das Gefäß oder der Träger mit der fließfähigen Substanz 20 mit einer Zieheinrichtung verbunden ist, um eine Positionierung und Bewegung der Fluidfläche 21.1 relativ zur Musterfläche 31.1 auszuführen.

Die fließfähige Substanz 20 befindet sich in einem Gefäß, z. B. einer Schale, oder als dünne Schicht auf einem Träger, z. B. aus Glas oder einer Polymerfolie. Es wird beispielsweise Polyvinylpyridin (PVP) (MW = 60.000 g/mol) mit einer Konzentration von rd. 20 Gew.-% in Ethanol gelöst. Die PVP-Lösung wird als dünne Schicht auf eine Glasoberfläche aufgebracht und getrocknet. Anschließend wird die getrocknete PVP-Schicht erwärmt, um das Polymer zu erweichen. Beispielsweise wird PVP auf rd. 60 bis 140° C erwärmt.

Die Musterfläche 31.1 wird gemäß 1B an die Fluidfläche 21.1 angenähert, bis die Adhäsionsinseln 32 wenigstens eines Teils der Musterfläche 31.1 die Substanz 20 berühren. Eine Gruppe von Adhäsionsinseln 32 berühren die Fluidfläche 21.1 gleichzeitig. Diese Gruppe kann z. B. alle Adhäsionsinseln 32 der Musterfläche 31.1 oder bei Anwendung einer gekrümmten Musterfläche 31.1, zum Beispiel auf einer Walze (siehe 14), eine oder mehrere Reihen von Adhäsionsinseln 32 umfassen. Da die Dicke der Adhäsionsinseln 32 z. B. 10 nm beträgt, kann die Musterfläche 31.1 die Fluidfläche 21.1 so berühren, dass nur die Adhäsionsinseln 32 von der Substanz 20 benetzt werden. Alternativ kann die Musterfläche 31.1 die Fluidfläche 21.1 jedoch auch komplett berühren oder sogar eintauchen, da die Substanz 20 an den Adhäsionsinseln 32 besser haftet als in den dazwischen liegenden Bereichen.

Anschließend erfolgt gemäß 1C eine Trennungsbewegung der Fluidfläche 21.1 und der Musterfläche 31.1 relativ zueinander. In der Regel wird die Musterfläche 31.1 zurückgezogen, alternativ oder zusätzlich kann auch die Fluidfläche 21.1 bewegt werden (siehe Pfeile). Die Bewegung erfolgt beispielsweise senkrecht oder als Scherbewegung (siehe gestrichelter Pfeil und 14) relativ zu der Ebene der Fluidfläche 21.1. Die Geschwindigkeit wird in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften und der gewünschten Vorsprungsform gewählt und ist bei der o. g. PVP-Schicht z. B. im Bereich von 0.1 Millimeter pro Sekunde bis 10 Millimeter pro Sekunde gewählt. An den Oberflächen der Adhäsionsinseln 32 bleibt die Haftung mit der fließfähigen Substanz 20 erhalten, so dass Fadenverbindungen 22 zwischen den Adhäsionsinseln 32 und der Fluidfläche 21.1 aufgespannt werden.

Während der Trennungsbewegung wird die erhöhte Temperatur der fließfähigen Substanz 20 (PVP-Schmelze) aufrechterhalten, während die Musterfläche 31.1 Raumtemperatur oder eine Arbeitstemperatur aufweist, die mit der Temperiereinrichtung der Zieheinrichtung eingestellt wird. Die Arbeitstemperatur kann von der Raumtemperatur abweichen. Die Temperiereinrichtung kann auch zur Kühlung vorgesehen sein. Zwischen der Musterfläche 31.1 und der Substanz 20 ist somit ein Temperaturgradient gegeben. Entsprechend dem Verlauf des Temperaturgradienten erfolgt bereits während der Trennungsbewegung ausgehend von den Adhäsionsinseln 31.1 ein Aushärten der Fadenverbindung 22. Gleichzeitig stellt sich durch die Oberflächenspannung des beim Ziehen noch fließfähigen Materials als Kontur eine Minimaloberfläche ein, die sich insbesondere durch eine Verjüngung der Fadenverbindungen 22 mit zunehmendem Abstand von der Musterfläche 31.1 auszeichnet.

Durch das Auseinanderziehen der Musterfläche 31.1 und der fließfähigen Substanz 20 haftet diese an den Adhäsionsinseln 32. Die Substanz 20, z. B. das Polymer PVP verfestigt sich während oder nach dem Zugvorgang durch das Verdampfen des Lösungsmittels und/oder die Abkühlung der Polymerschmelze. Es bilden sich die Fadenverbindungen 22 (Polymerfäden), deren Ausgangspunkte an der Musterfläche 31.1 durch die Anordnung der Adhäsionsinseln 32 vorgegeben wird und deren Orientierung allgemein von der Zugrichtung der Musterfläche 31.1 abhängt. Die Form, Länge und weitere Eigenschaften, wie z. B. mechanische und optische Eigenschaften, können durch die Ziehgeschwindigkeit und die physikalischen Eigenschaften der Substanz 20, wie z. B. die Zusammensetzung, das Molekulargewicht, den Vernetzungsgrad des Polymers, die Viskosität oder die viskoelastischen Eigenschaften der Substanz 20 sowie durch die Geschwindigkeit der Verfestigung (Aushärtung) der Substanz bestimmt werden. Die konkret realisierten Betriebsparameter können ggf. durch Versuche gewählt oder optimiert werden. Bei fortgesetzter Trennungsbewegung kommt es gemäß 1D zu einer Durchtrennung der Fadenverbindungen, so dass auf der Musterfläche 31.1 die fadenförmigen Vorsprünge 11 zurückbleiben. Die Erhebungen aus der Fluidfläche 21.1 sinken in die gelöste oder geschmolzene Substanz 20 zurück.

Die 2A bis 2D zeigen den entsprechenden Verfahrensablauf gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Bereitstellung der fließfähigen Substanz 20 in Form von Inseln 36 auf der Musterfläche 31.2 und die Bildung der gegenüberliegenden Stempelfläche als Festkörperfläche 21.2. Mit einem Bewegungsablauf analog zu den oben unter Bezug auf die 1A bis 1D beschriebenen Schritten erfolgt zunächst eine gegenseitige Berührung der Stempelfläche 21.2 und der Musterfläche 31.2 mit den Inseln 36 (2B) und anschließend eine Trennungsbewegung, so dass die Fadenverbindungen 22 aufgespannt werden (2C). Während der Trennungsbewegung erfolgt das Aushärten der Fadenverbindungen 22, wobei im Bereich des geringsten Durchmessers eine Unterbrechung erfolgt, so dass die fadenförmigen Vorsprünge 11 auf der Stempelfläche 21.2 und/oder der Musterfläche 31.2 zurückbleiben.

Wenn die Musterfläche 31.2 chemisch mit der fließfähigen Substanz 20 kompatibel ist und eine chemische Verbindung eingehen kann, werden die Inseln 36 auf der Musterfläche 31.2 fixiert. Die Inseln 36 umfassen bspw. Polystyrol-Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm, die durch partielles Anlösen mit der Musterfläche 31.2 aus Polystyrol verbunden sind. Allgemein werden die fließfähige Substanz 20 und das Material der Musterfläche 31.2 so gewählt, dass die Schmelztemperatur der Musterfläche 31.2 höher als die der fließfähigen Substanz 20 ist. Diese Bedingung kann vorteilhafterweise mit Polymerpartikeln erfüllt werden, indem die partikelförmigen Inseln 36 und das Material der Musterfläche 31.2 die gleiche chemische Zusammensetzung, jedoch verschiedene Kettenlängen der Polymere aufweisen. Die Festkörperfläche 21.2 besteht aus einem Metall (z. B. Kupfer, Stahl oder eine Legierung aus diesen), dessen Temperatur während der Berührung der Muster- und Stempelflächen erhöht wird, um die fließfähige Substanz 20 zu verflüssigen. Alternativ kann die Festkörperfläche 21.2 aus einer Keramik oder Glas bestehen. Im Ergebnis der Trennungsbewegung entstehen die fadenförmigen Vorsprünge vorzugsweise auf der Musterfläche 31.2.

Alternativ bestehen die fließfähige Substanz 20 und die Musterfläche 31 aus chemisch nicht kompatiblen Materialien. Beispielsweise werden partikelförmige Inseln 36 aus einem verflüssigbaren Polymer auf einer Metall-Musterfläche 31.2 (z. B. Kupfer, Stahl oder eine Legierung aus diesen) aufgebracht. Die Inseln 36 haften an der Musterfläche 31.2 an, ohne mit dieser chemisch verbunden zu sein. Die Festkörperfläche 21.2 besteht aus einem Material, mit dem die fließfähige Substanz 20 eine chemische Verbindung eingehen kann. Bei der Berührung der Muster- und Stempelflächen (2B) wird die fließfähige Substanz 20 mit der Festkörperfläche 21.2 verbunden. Gleichzeitig wird die fließfähige Substanz 20 über die Muster- und/oder Festkörperflächen erwärmt. Die Verbindung der fließfähigen Substanz 20 mit der Festkörperfläche 21.2 umfasst bspw. ein partielles Schmelzen oder eine chemische Kopplung, z. B. eine photochemische Vernetzung. Anschließend erfolgen das Ausziehen der Fadenverbindungen und deren Unterbrechung zur Bildung der fadenförmigen Vorsprünge.

Die folgende Beschreibung von Verfahrensvarianten bezieht sich auf Beispiele gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die entsprechenden Merkmale können analog auch mit der zweiten Ausführungsform realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Bauteil 100 mit der strukturierten Oberfläche 10 umfasst gemäß 3 als Basiselement 33 die Musterfläche 31.1, auf der die fadenförmigen Vorsprünge 11 angeordnet sind. Die 4 bis 6 illustrieren weitere Varianten des erfindungsgemäßen Bauteils 100. Gemäß 4 wird während des Ziehens der Fadenverbindungen 22 (siehe z. B. 1C) auch die Oberfläche der Substanz 20, z. B. durch eine Abkühlung oder einen Lösungsmittelentzug, ausgehärtet, so dass sich bei der Unterbrechung der Fadenverbindungen fadenförmige Vorsprünge 11 auf der zum festen Basiselement 23 umgewandelten Fluidfläche bilden. Das Basiselement 23 wird auf einem Träger 24 stabilisiert. In diesem Fall umfasst das Bauteil 100 den Träger 24 mit dem Basiselement 23 und den fadenförmigen Vorsprüngen 11.

Die 5 und 6 zeigen weitere Bearbeitungsschritte nach der Fertigstellung des Bauteils 100. Gemäß 5 ist die Erzeugung von Verdickungen 12 an den freien Enden der Vorsprünge 11 vorgesehen. Gemäß 6 werden die Vorsprünge 11 mit einer Deckschicht 13 abgedeckt. Diese Ausführungsform ist beispielsweise für optische Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse, bei denen die Vorsprünge 11 vor Umwelteinflüssen geschützt werden sollen. Ein Bearbeitungsschritt nach der Fertigstellung des Bauteils 100 kann alternativ oder zusätzlich eine Aushärtung der Vorsprünge durch eine Bestrahlung umfassen.

7 illustriert eine weitere Variante der Erfindung, bei der die Vorsprünge 11 mehrschichtig gebildet sind. Hierzu wird das oben illustrierte Verfahren mehrfach durchgeführt, wobei die jeweils gebildeten Vorsprünge als Adhäsionsinseln für das anschließende Ausziehen von Fäden verwendet werden. Die Verlängerung 14 des Vorsprungs 11 kann aus dem gleichen Material wie der Vorsprung 11 oder einem unterschiedlichen Material gebildet sein.

8 zeigt schematisch eine Apparatur 200 zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche 10, von der aus Übersichtlichkeitsgründen eine Variante der Musterfläche 31.1 mit nur einem einzelnen Vorsprung 11 auf der Adhäsionsinsel 32 gezeigt ist. Die Apparatur 200 umfasst die Zieheinrichtung 30 mit der Antriebseinrichtung 34 und der Temperiereinrichtung 35, eine Heizeinrichtung 40 mit einem Träger oder Gefäß 41 zur Aufnahme der fließfähigen Substanz 20 und optional eine Konditioniereinrichtung 50, mit der die Form der Fadenverbindungen während des Zugvorgangs und der Vorsprünge 11 beeinflussbar ist.

Die Antriebseinrichtung 34 dient der Ausrichtung und Bewegung der Musterfläche 31.1. Hierzu ist beispielsweise ein Schrittmotor vorgesehen. Die Temperiereinrichtung 35 und die Heizeinrichtung 40 enthalten z. B. Widerstandsheizungen.

Die Konditioniereinrichtung 50 enthält beispielsweise einen Magneten (Permanentmagnet oder Elektromagnet) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, unter dessen Wirkung eine Krümmung der Vorsprünge 11 gebildet wird. Hierzu enthält die Substanz 20 eine magnetische Zusatzsubstanz, wie z. B. magnetische Kolloide. Alternativ kann mit der Konditioniereinrichtung 50 ein elektrisches Feld zur Beeinflussung der Vorsprungsform erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Konditioniereinrichtung 50 auf alle Vorsprünge gleichzeitig einwirkt, so dass eine gleichmäßige Formgebung an allen Vorsprüngen erreicht werden kann.

Gemäß einer weiteren Variante kann die Konditioniereinrichtung 50 für eine chemische Beeinflussung der Form der Vorsprünge 11 eingerichtet sein. Der Strukturierungsvorgang mit dem Ziehen der Fadenverbindungen 22 gemäß 1 oder 2 muss nicht zwingend in einer gasförmigen Umgebung erfolgen, sondern kann alternativ auch in einer Flüssigkeit vorgesehen sein. Durch eine Einstellung des pH-Werts der Flüssigkeit nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen, jedoch vor Beendigung der Aushärtung können ebenfalls gekrümmte Vorsprünge erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Strukturierung einer Oberfläche in einer Flüssigkeit hat im Vergleich zum Prozess einer gasförmigen Umgebung Vorteile für die Temperaturkontrolle, die Steuerbarkeit des Entweichens von Lösungsmittel aus den gezogenen Fäden der fließfähigen Substanz und durch die mechanische Trennung der Vorsprünge, insbesondere bei Vorsprüngen mit einer hohen Flächendichte.

9 illustriert beispielhaft die Erzeugung von gekrümmten Vorsprüngen 11 durch eine von der Oberflächennormalen abweichende Zugrichtung (siehe Pfeil). Die Trennungsbewegung erfolgt entlang einer geraden oder gekrümmten Bezugslinie relativ zu der Fluidfläche 21.1. Die Zugrichtung kann während der Trennungsbewegung geändert werden, um die Orientierung und/oder Form der Vorsprünge zu beeinflussen.

Gekrümmte Vorsprünge können vorteilhafterweise für dynamisch schaltbare Oberflächen verwendet werden, wie dies schematisch in 10 illustriert ist. Liegen beispielsweise gekrümmte Vorsprünge gemäß 9 aus PVP in einem neutralen Umgebungsmedium vor, so richten sich diese durch eine Änderung des pH-Wertes in einem sauren Medium auf. Eine entsprechende Schaltbewegung kann auch durch eine Temperaturänderung erreicht werden. Diese Umschaltung kann für optische oder sensortechnische Anwendungen von strukturierten Oberflächen von Interesse sein.

11 zeigt verschiedene Varianten von Adhäsionsinseln in schematischer Draufsicht. Alternativ zu kreisrunden oder quadratischen Grundflächen 32A, 32B können zur Erzeugung von mechanischen Anisotropien der strukturierten Oberfläche insbesondere Grundflächen mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen, wie z. B. elliptische Grundflächen 32C oder rhombusförmige Grundflächen 32D, vorgesehen sein. Das Bezugszeichen 32E verweist beispielhaft auf punktförmige Adhäsionsinseln. Wenn die Adhäsionsinseln alternativ Grundflächen mit mehr als vier Ecken aufweisen, können sich Vorteile für die mechanische Stabilität der erfindungsgemäß gezogenen Fasern ergeben.

Die 11 bis 14 illustrieren elektronenmikroskopische Abbildungen erfindungsgemäß hergestellter Oberflächenstrukturen aus Polyvinylpyridin. Gemäß 14 werden erfindungsgemäß sogar Vorsprünge mit Windungen erzeugt, die sich beim Aushärten von Polymeren während einer extremen Scherbewegung bilden können.

15 zeigt schematisch Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform einer Apparatur 201 zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche 10 mit gekrümmten Vorsprüngen 11. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut zur Herstellung von Endlosmaterial mit einer erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche. Die Apparatur 201 enthält eine Walze 42, die in das Gefäß 41 mit der fließfähigen Substanz 20 eingetaucht ist und außerhalb des Gefäßes 41 die Musterfläche 31.1 mit den Adhäsionsinsel(n) 32 berührt. Die Heizeinrichtung für das Gefäß 41 und/oder -die Walze 42 und die optionale Konditioniereinrichtung (siehe 8) sind nicht dargestellt.

Eine Antriebseinrichtung (beispielsweise ein Motor, nicht dargestellt) ist dazu vorgesehen, die Musterfläche 31.1 in Pfeilrichtung zu bewegen und dabei die Walze 42 zu drehen. Durch die Drehung der Walze 42 wird auf deren zylinderförmigen Oberfläche eine Schicht der fließfähigen Substanz 20 gebildet, deren freie Fluidfläche zu der Musterfläche 31.1 weist. Im Ergebnis führen die Adhäsionsinsel(n) 32 relativ zur Fluidfläche der fließfähigen Substanz 20 eine Scherbewegung aus, mit der die Form der Fadenverbindungen während des Zugvorgangs und der Vorsprünge 11 (vergrößert gezeigt) beeinflussbar ist. Die Musterfläche 31.1 kann wie gezeigt auf einem Träger angeordnet sein oder alternativ mit einer weiteren Walze an der Walze 42 vorbeigeführt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.


Anspruch[de]
Verfahren zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche (10), die eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:

– gegenseitige Berührung einer Stempelfläche (21.1, 21.2) und einer Musterfläche (31.1, 31.2), wobei wenigstens eine der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) eine fließfähige Substanz (20) aufweist,

– Trennungsbewegung der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2), wobei Fadenverbindungen (22) der fließfähigen Substanz (20) zwischen der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) gezogen werden,

– Unterbrechung der Fadenverbindungen (22), so dass auf wenigstens einer der Stempelfläche (21.1, 21.2 ) und der Musterfläche (31.1, 31.2) die fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden, und

– Aushärtung der Substanz (20).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stempelfläche durch eine Fluidfläche (21.1) der fließfähigen Substanz (20) gebildet wird und die Musterfläche (31.1) Adhäsionsinseln (32) aufweist, wobei bei der Berührung der Fluidfläche (21.1) und der Musterfläche (31.1) die Substanz (20) an den Adhäsionsinseln (32) anhaftet. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Adhäsionsinseln (32) durch topographische Strukturen der Musterfläche (31.1) und/oder Bereiche mit einer chemischen Modifizierung gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die topographischen Strukturen der Musterfläche (31.1) durch lokale Stufen oder vorgeformte Fäden oder eine Kombination aus diesen gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Stufen durch eine Abscheidung von Partikeln oder Schichten auf der Musterfläche (31.1) gebildet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Fluidfläche (21.1) gebildet werden, wobei die Fluidfläche (21.1) in eine feste Basisschicht (23) umgewandelt wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stempelfläche durch eine Festkörperfläche (21.2) gebildet wird und die Musterfläche (31.2) Inseln (36) der fließfähigen Substanz (20) trägt, wobei bei der Berührung der Festkörperfläche (21.2) und der Musterfläche (31.2) die Substanz (20) an der Festkörperfläche (21) anhaftet. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Inseln (36) der fließfähigen Substanz (20) mit der Musterfläche (21.2) verbunden sind und die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Musterfläche (21.2) gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Musterfläche (21.2) und die fließfähige Substanz (20) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem bei der Berührung der Festkörperfläche (21.2) und der Musterfläche (31.2) die fließfähige Substanz (20) mit der Festkörperfläche (21.2) verbunden wird und die fadenförmigen Vorsprünge (11) auf der Festkörperfläche (21.2) gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Festkörperfläche (21) und die fließfähige Substanz (20) die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die Partikel (36) kolloide Polymerpartikel umfassen. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die kolloiden Polymerpartikel einen Durchmesser im Bereich von 50 nm bis 20 &mgr;m aufweisen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aushärtung der Substanz (20) während des Ziehens und/oder nach der Unterbrechung der Fadenverbindungen (22) erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Aushärtung der Substanz (20) wenigstens einen der Prozesse umfasst, die ein Verdampfen eines Lösungsmittels aus der Substanz (20), eine Verfestigung der Substanz (20) durch eine Abkühlung und eine Vernetzung der Substanz (20) umfassen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Aushärtung der Substanz (20) eine Formung der fadenförmigen Vorsprünge (11) durch eine äußere Einwirkung vorgesehen ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trennungsbewegung eine gerade Bewegung ist und gerade fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Trennungsbewegung eine gekrümmte Bewegung ist und gekrümmte fadenförmigen Vorsprünge (11) gebildet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Trennungsbewegung die Geschwindigkeit der Stempelfläche (21.1, 21.2) und der Musterfläche (31.1, 31.2) relativ zueinander variiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fließfähige Substanz (20) wenigstens eines von einem organischen Polymer, einem organisch-anorganisch zusammengesetzten Polymer oder vernetzbaren Monomeren umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die fließfähige Substanz (20) mindestens eine Zusatzsubstanz enthält, mit der die chemischen, dielektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge (11) modifizierbar sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Spitzenbehandlung der fadenförmigen Vorsprünge (11) vorgesehen ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 22, bei dem die Adhäsionsinseln (32) oder die Partikel mit einer vorbestimmten geometrischen Verteilung angeordnet sind, die beim Ziehen den Fadenverbindungen aufgeprägt wird. Bauteil (100) mit einem Basiselement (23, 33), das eine Vielzahl von fadenförmigen Vorsprüngen (11) aufweist, die aus einer fließfähigen, aushärtbaren Substanz (20) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die fadenförmigen Vorsprünge (11) entlang ihrer Länge wenigstens lokal eine Kontur aufweisen, die durch die Oberflächenspannung und die Viskosität der Substanz (20) in einem Zustand bestimmt ist, in dem die Substanz bei einem Ziehprozess eine freie Fadenverbindung bildet. Bauteil nach Anspruch 24, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) wenigstens eines von einem organischen Polymer, einem organisch-anorganisch zusammengesetzten Polymer oder vernetzten Monomeren umfassen. Bauteil nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) mindestens eine Zusatzsubstanz enthalten, mit der die chemischen, dielektrischen, optischen oder magnetischen Eigenschaften der fadenförmigen Vorsprünge (11) modifiziert sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) gerade oder gekrümmt von der Basisfläche (23, 33) abstehen. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) entlang ihrer Länge einen Durchmessergradienten aufweisen. Bauteil nach Anspruch 28, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) an ihren Enden eine Verdickung (12) aufweisen. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) in eine Deckschicht (13) eingebettet sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem das Basiselement (23) und die fadenförmigen Vorsprünge (11) aus der selben Substanz bestehen. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem das Basiselement (23) eine Musterfläche (31.1) umfasst, auf der Adhäsionsinseln (32) mit einem vorbestimmten Muster angeordnet sind, wobei die fadenförmigen Vorsprünge (11) mit den Adhäsionsinseln (32) verbunden sind. Bauteil nach Anspruch 32, bei dem die Adhäsionsinseln (32) eine topographische Struktur der Musterfläche (31.1) und/oder eine chemische Modifizierung der Musterfläche (31.1) umfassen. Bauteil nach Anspruch 33, bei dem die topographische Struktur der Musterfläche (31.1) lokale Stufen oder vorgeformte Fäden oder eine Kombination aus diesen umfasst. Bauteil nach Anspruch 34, bei dem die Stufen durch Partikel oder Schichten auf der Musterfläche gebildet sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem das Basiselement (23) eine Muster- oder Stempelfläche (21.2, 31.2) umfasst, mit der die fadenförmigen Vorsprünge (11) unmittelbar verbunden sind. Bauteil nach einem der Ansprüche 24 bis 36, bei dem die fadenförmigen Vorsprünge (11) mehrschichtig gebildet sind.






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