WO2003099951A2 - Verfahren zur oberflächenmodifizierung eines festkörpers und daraus hergestellte mikrostrukturierte oberflächen mit gesteigerter adhäsion - Google Patents

Verfahren zur oberflächenmodifizierung eines festkörpers und daraus hergestellte mikrostrukturierte oberflächen mit gesteigerter adhäsion Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to methods according to the preamble of claim 1 or 2, in particular methods for microstructuring solid surfaces, methods for producing a composite of objects with modified surfaces, objects with surfaces modified to increase adhesion, and connections made with such objects.
  • Adhesive bonds between identical or different types of materials which on the one hand reliably form predetermined adhesive forces and on the other hand are reversibly detachable, are of great importance in technology.
  • Applications include, for example, the detachable connection of components by means of Velcro connections, the manipulation of objects by means of tools, magnetic holders of objects, connecting elements on textile products, the temporary fixing of objects (e.g. notes) in the office area and the like.
  • Numerous connection techniques have been developed, that are specially adapted to the respective task. For example, it is known in automation technology to reversibly attach objects with suction connections to manipulators and to move them. However, such suction connections have a considerable technical outlay.
  • reversible adhesive connections can also be made with adhesives. However, this has disadvantages with regard to the possibly limited chemical compatibility of the connected materials with the adhesive used and with regard to the formation of residues.
  • Residue-free adhesive bonds are also known, which are based in particular on a chemical and / or mechanical modification of the surfaces of the materials to be joined.
  • a chemical modification of polymer layers to increase their adhesiveness.
  • the surface building blocks of a polymer layer are modified, for example by chemical treatment or radiation, in such a way that free binding sites, electrostatic interactions, ionic interactions or other binding phenomena occur.
  • An important disadvantage of chemical modification is that it is limited to certain polymer materials.
  • WO 99/32005 it is known to modify the surfaces of objects by means of a fastening element which consists of a layered support and rod-shaped projections.
  • the carrier is glued to the object to be modified, so that the projections protrude into the space and effect anchoring with a correspondingly modified surface of another object.
  • the fastening element thus does not form an adhesive connection, but rather a mechanical anchoring.
  • the rod-shaped projections must necessarily be manufactured with a high degree of stability and suitable geometry the.
  • the protrusions have characteristic cross-sectional dimensions and mutual distances in the mm range. Adhesive must also be used to create a reliable bond.
  • WO 96/04123 and WO 00/50232 describe a self-cleaning effect of surfaces with a structure of elevations and depressions. It has been shown that structured surfaces made of hydrophobic polymers with typical structuring dimensions above 5 ⁇ m have an adhesion-changing effect.
  • adhesive systems have also been developed in nature which, for example, allow insects to walk on surfaces of any orientation or to fix body parts to one another under certain conditions. These adhesive systems are based on the formation of the finest hairs, e.g. B. on the insect legs, as described, for example, by M. Scherge and S. N. Gorb in "Biological Micro- and Nanotribology” (Springer-Verlag).
  • Adhesive systems based on adhesive microstructures were also developed after examining the structures formed on gecko legs (see WO 01/49776).
  • these attempts to use the gecko adhesive systems technically were limited to the transfer of the gecko structures to technical objects or their synthetic geometric replicas.
  • the pure replica of the gecko structures has the disadvantage that the use of appropriate adhesive systems is limited to ideal, smooth surfaces and in Disadvantages with respect to the holding forces and the use with real, in particular rough or fractal surfaces.
  • the object of the invention is to provide improved methods for surface modification with which the adhesiveness of the modified surfaces is increased and with which the disadvantages of the conventional techniques are avoided.
  • the method according to the invention is intended in particular to enable the formation of releasable adhesive bonds for an expanded range of materials and surfaces, an increased ability to adhere to real, possibly uneven surfaces and the setting of predetermined adhesive forces or properties.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing a composite from several objects, the surfaces of which are modified to increase the adhesiveness. It is a further object of the invention to provide improved surface modifications that enable increased adhesiveness.
  • the surface is subjected to a structuring by forming a plurality of protrusions each with one end face, the protrusions being dimensioned such that all end faces have the same vertical height above the surface have and thus form an adherent contact surface, which is only interrupted by mutual distances or gaps between the end faces.
  • the originally (unmodified) closed surface is converted into a contact surface in which the end surfaces form a large number of individual contacts (so-called micro-contacts). This splitting into micro contacts advantageously results in an increase in adhesion, as was shown by experiments and the theoretical considerations mentioned below.
  • the projections are formed inclined to the surface. Due to the inclination of the projections, a shear component is applied during the formation of an adhesive connection between two objects during contact formation, by means of which the adhesive ability is increased.
  • the inclination, the elasticity, the dimensioning and / or the elasticity parameters of the projections explained below can advantageously be optimized depending on the application.
  • the above-mentioned object of the invention is achieved in that the projections, inclined relative to the surface, are formed from an elastic material with a gradient of the modulus of elasticity. If the bending stiffness of the projections decreases towards their free end and / or radially transverse to their longitudinal dimensions, the following advantages result. Which he- Finders have found that an adhesive bond with a positive attractive force is formed between the structured surface and an adjacent body when the energy gain from the adhesion of the contact surface to the body is greater than the elastic energy required to bend the projections. By generating the elasticity or bending stiffness gradient, the elastic energy required to bend the projections is advantageously reduced, so that the positive adhesive effect is achieved more easily.
  • This advantage is particularly pronounced when the invention is used on real, in particular rough, irregularly structured surfaces. There are unevenness on such surfaces, which lead to bending of the projections.
  • the energy loss due to the bending on the projections is reduced and the adhesion is thereby improved.
  • the gradient of the elasticity module is formed between an upper and a lower elasticity value, the upper elasticity value being between 10 MPa and 10 GPa and the lower elasticity value between 20 kPa and 10 MPa, there may be advantages in relation to one another result in a particularly soft bending of the projections and thus for a particularly high gain in adhesion.
  • the above-mentioned object is achieved in that the projections are formed with an effective elastic module, the size of which depends on the modulus of elasticity of the material of the projections, their surface density and their geometrical length and cross-sectional dimensions, the effective elastic module is set with a value in the range of 20 kPa to 10 MPa. This measure in turn reduces the energy loss when the projections are bent on real surfaces and thereby improves the adhesive effect.
  • the projections of the surface structure formed according to the invention preferably form an angle in the range from 89 ° to 45 °, in particular from 80 ° to 40 degrees, relative to the local alignment of the structured surface. Surprisingly, it has been shown that even a minimal inclination of the projections leads to a bending of the projections in the desired direction when contact is made with an adjacent body. Adjusting these angles of inclination can result in advantages for an improved adaptation of the contact surface to a real surface.
  • a contact area is formed by the entirety of the end faces.
  • the contact surface touches the surface of the other object without being anchored and without the projections engaging.
  • the adhesive bond is mediated by van der Waals forces. Additional contributions can be made by electrostatic forces or capillary forces.
  • the distances between the projections are smaller than the cross-sectional dimensions of the end faces.
  • the projections are arranged such that the end faces form a regular pattern (or grid).
  • the periodic arrangement of the projections has the advantage that weak points in the adhesive connection are avoided and the contacts are homogenized.
  • the contact surface is formed in such a way that the mutual distances between adjacent end surfaces are less than 10 ⁇ m, in particular less than 5 ⁇ m (eg 4 ⁇ m or less).
  • the end faces preferably have characteristic cross-sectional dimensions of less than 5 ⁇ m. These dimensions, which are realized jointly or independently and possibly only refer to a reference direction, have the advantage of a special increase in adhesion.
  • the selection of a dimensioning depends on the concrete adhesive force to be achieved. For a given total area of the micro contacts, the adhesive force increases with the root of the number of micro contacts. With surfaces modified according to the invention, even macroscopic objects, e.g. B. tools, are reliably connected to each other without the weight of one of the objects can interrupt the adhesive connection.
  • the end faces of the projections which together form the contact surface, each have a curved end face shape, which is preferably realized with a hemispherical shape, a cylindrical shape, a toroidal shape and / or a cup shape.
  • Face shape may vary within the variety of protrusions.
  • the design of the curved end face shape which has resulted from calculations made by the inventors for the first time, has the advantage that the adhesive force of the individual contacts is improved by the geometries mentioned.
  • the end faces which are curved outwards or in the opposite direction in the direction of the longitudinal extension of the projections, provide a reduced energy loss during compression and an effective area increase when applied to an adjacent body. wax to enlarge the adhesive surfaces of the individual contacts.
  • the projections are formed with head parts, each of which represents a membrane or pad-like extension of the foot parts, the thickness of the head parts being less than the thickness of the foot parts.
  • the head parts are all bent with the same orientation relative to the foot parts, so that an asymmetry of the contact structure is advantageously achieved.
  • the holding force is greater than when the adhesive connection is loaded in a direction corresponding to the direction of the bent head parts.
  • This difference in holding force provides additional tangential forces that can be effectively used with a mirror-symmetrical combination of oppositely inclined holding structures.
  • the membrane-shaped head parts have a thickness in the range from 5 nm to 100 nm and lateral dimensions (length, width) in the range from 20 nm to 1000 nm.
  • the membrane-shaped head parts are formed according to a particularly advantageous variant of the invention with a modulus of elasticity in the range from 10 MPa to 10 GPa, the energy loss when the structured surface is applied to an adjacent body is advantageously further reduced.
  • Another important feature of the invention that can be advantageously implemented in both of the above-mentioned aspects of elasticity adjustment is the setting of a particularly high aspect ratio, i.e. the ratio of the length and thickness of the projections of at least 5: 1.
  • Setting a high aspect ratio has the advantage of a soft elastic bending of the projections when making contact with the adjacent body.
  • Hierarchical surface structure Another important feature of the invention consists in the creation ⁇ a hierarchical surface structure, are each formed in the end surfaces of projections in turn protrusions having end surfaces, which in turn bear projections having optionally further structured faces.
  • the hierarchical surface structure has the following advantage.
  • the surface contacts can relate to their Elasticity and the geometry itself can be optimally adjusted. However, this only applies to ideally smooth surfaces.
  • Real surfaces on the other hand, have a fractal structure in such a way that unevenness, roughness and undulations appear on different length scales.
  • the bumps have typical dimensions that span a spatial frequency spectrum from the mm to the ⁇ m to the nm range.
  • the above-mentioned hierarchical structuring and sub-structuring of the projections optimally adapt the surface structured according to the invention to the real surface. For each part of the spatial frequency spectrum of the unevenness of the adjacent body, the structured surface according to the invention provides a contact structure that matches the surface profile of the adjacent body.
  • the hierarchical structure comprises at least three structure levels, in which the end faces of the projections each carry fine structure projections on the structured surface, the end faces of which are equipped with substructures.
  • the substructure protrusions have a thickness in the range from 5 nm to 200 nm
  • the fine structure protrusions are preferably with a 10 to 100 times larger thickness value and the (main) protrusions again with a 10 to 100 times higher Thickness value formed.
  • the structured surface is optimally adjusted when these geometric parameters are set.
  • the fine structure and / or substructure projections are produced using an electrostatic flocking process which is known per se from the textile industry (see for example EP 158 721, DD 156 825).
  • the application of this method has the Special advantage that the structuring can be realized with a high degree of accuracy and reproducibility.
  • the projections, the free ends of which form the contact surface of the adhesive structure comprise different types of projections, which represent a distribution of different shapes, materials, elastic properties and / or sizes of the projections, this variability advantageously means that they can be universally applied to everyone Surface-holding adhesive structure can be formed.
  • the structuring can be formed integrally in the surface of an object or integrally with a layered carrier by means of a microstructuring technique.
  • the carrier becomes adherent, e.g. B. mediated by a modified surface according to the invention or fixed by an adhesive on an object.
  • the projections or at least the end faces can be modified to chemically modify the end faces and / or apply an additional adhesive or a liquid with surface tension (capillary force) to increase the adhesive ability of the microcontacts.
  • a particular advantage of the invention is that there are no restrictions with regard to the type of the modified solid surface.
  • the contact surfaces according to the invention can be formed in particular in polymer materials, metals, alloys, semiconductors, dielectric solids or ceramics.
  • Another object of the invention is a method for establishing a connection between two objects, one of which at least one object in at least a partial area of its surface has been modified in accordance with the above-mentioned method.
  • This method is characterized in that the contact surface formed on the at least one object is brought into connection with the other object. In contrast to conventionally modified surfaces, this connection is made without anchoring. No mechanical anchoring is formed between the projections.
  • the contact surface of one object touches a contact surface or an unmodified surface of the other object.
  • Another object is the provision of a structured surface of a solid body with increased adhesiveness, which is characterized in particular by the contact surface described above from a large number of micro contacts.
  • the invention has the following further advantages.
  • the adhesiveness of contact surfaces is significantly increased compared to conventionally modified surfaces. Adhesions of up to 10 5 N / m 2 (radius ball contact 1 ⁇ m) or up to 10 7 N / m 2 (radius ball contact 10 nm) are achieved.
  • Surfaces modified according to the invention enable residue-free, inert adhesive bonds that d ' -CeT can be used both in microtechnologies and with macroscopic objects.
  • the microstructuring according to the invention can be produced with little effort using structuring techniques which are available per se.
  • FIGS. 4 to 10 schematic illustrations of important features of surface structures formed according to the invention in accordance with various embodiments of the invention.
  • FIGS. 11 to 13 schematic sectional views of different
  • FIGS. 14 to 16 schematic top views of different designs of contact surfaces
  • R is the radius of the hemisphere
  • F is the pressure applied
  • E * is an average modulus of elasticity
  • d is the diameter of the micro contact between the hemispherical end face and the substrate.
  • n is the number of micro contacts.
  • the adhesive force can thus be increased by the formation of micro-contacts. This concept, which is also referred to as an increase in adhesion due to multiplicity of microcontacts, is illustrated schematically in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows in the left part an object 10 in a side view (top) and in a top view of the lower, unstructured surface 11 '(bottom).
  • the right-hand part of FIG. 1 illustrates the microstructuring of the surface 11 provided according to the invention for producing a multiplicity of projections 12.
  • Each projection 12 forms an end face 13 on its side facing away from the object 10.
  • the end faces 13 form a multiplicity of micro-contacts.
  • the microcontacts 13 form a contact surface 14 which is interrupted by the distances between the end surfaces 13 and which, in accordance with the considerations set out above, has an increased adhesive force compared to the unstructured surface 11 '.
  • the geometric dimensions of the projections 12 are preferably selected as follows: Distances of the end faces: 1 nm to 10 ⁇ m, in particular less than 5 ⁇ m (e.g. 4 ⁇ m or less), cross-sectional dimension of the end faces (at least in the direction of the lateral main load, see bottom): 1 nm to 5 ⁇ m, and height: z. B. in the ⁇ m range, depending on the application and structuring technique.
  • Various designs of the projections 12 are explained below by way of example with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the projection 12 is regarded as a soft elastic band which is inclined by an angle ⁇ when it makes contact with an adjacent body relative to its surface 31.
  • the separation force F is related to the van der Waals work w according to equation (5):
  • Equation 5 t is the width of the band, h the thickness of the band, E the Young's modulus (elasticity modulus) of the bent part and ⁇ an infinitesimally small deflection of the projection 12.
  • the thickness is relative to the cross-sectional dimension of the projection according to the inclination orientation to the surface.
  • ⁇ represents an elasticity parameter that is dependent on the breaking work, the Young's modulus and the thickness h of the projection 12.
  • a particular advantage of the invention is the ability to optimize a structured surface in relation to the parameter ⁇ (see below).
  • variable of interest for the adhesion between two touching bodies is the vertical projection of the force F, which can be represented according to equation 7.
  • the projections are preferably formed with such a ⁇ parameter that the vertical release force is as independent of the angle as possible. This advantageously leads to a high robustness of adhesive bonds. A high level of robustness manifests itself in the fact that the contact
  • Disconnection does not automatically lead to a complete disconnection.
  • the structuring can be optimized depending on the material system used and the structural geometry. If, for example, the surface of a hard semiconductor material (eg Si) is structured with a high E value, a small thickness t in the nm range is preferred. For softer materials (synthetic material) with a lower E value, the thickness can be chosen wider in the ⁇ m range.
  • a hard semiconductor material eg Si
  • a small thickness t in the nm range is preferred.
  • the thickness can be chosen wider in the ⁇ m range.
  • an angle of inclination ⁇ 20 ° to 40 °, in particular 30 °, is preferred, at which the vertical release force is maximum. This corresponds to an angle with respect to the surface normal of 80 ° to 50 °, in particular 60 °.
  • FIG. 4 illustrates a schematic, enlarged sectional view of a surface structure formed according to the invention, in which a multiplicity of inclined projections 12 are each provided with a foot part 15, the free end of which forms a head part 16 with an end face 13.
  • the inclination of the protrusions 12 is of great importance for the adhesion of the structures to technical surfaces (surfaces with fractal roughness), since the protrusions show a higher degree of flexibility in the inclined state and require less energy for bending (minimization of the stored elastic energy).
  • straight protrusions which are provided with conventional adhesive structures, the high energy consumption that would be required if a straight structure were compressed, is avoided.
  • the angle of inclination ⁇ is selected, for example, in the range from 45 ° to 89 °, in particular 60 ° to 80 °.
  • an elastic gradient is formed in the projections 12, the variants of which are illustrated in FIG. 5.
  • the bending ability is continuously reduced from the foot part 15 to the end face 13. This is achieved by setting a modulus of elasticity E 2 on the foot part of e.g. B. 2 GPa reached, which up to the end face 13 to a value of z. B. 20 kPa reduced.
  • the material e.g. polymer
  • a radial gradient is provided according to the right partial image of FIG. 5, with which the elastic energy when bending the projections 12 can also be reduced.
  • the projection 12 which is shown in the right partial image of FIG. 5 in an enlarged sectional view with a round cross section, has an elastic modulus E 2 of z. B. 2 GPa formed, which extends outwards to the lateral surface of the projection 12 to a value Ei of z. B. 20 kPa reduced.
  • FIG. 6 shows further features of structures according to the invention with inclined projections 12 with an optimized bending stiffness. If a high aspect ratio (quotient of length a of the projections 12 and their width in the direction of inclination or diameter b) becomes at least 5, the elastic energy required for the bending load is reduced.
  • the parameters a and b are preferably selected from the following ranges: a: 2000 nm to 200 ⁇ m, b: 20 nm to 10 ⁇ m.
  • the areal density is, for example, 10 6 to 10 7 cm "2 .
  • the modulus of elasticity, for example of polyamide, is 2 GPa.
  • the size E * is preferably set in the range from 20 kPa to 10 MPa. 7 shows, in addition to the flat end face 13 (partial image a, corresponding to FIG.
  • variants of the head parts 16 with end face shapes which are described as a hemisphere (partial images b, c, f), cylinder or torus (partial image d) or bowl shape (partial image e) can.
  • the diameters of the projections 12 are, for example, in the range from 20 nm to 20 ⁇ m, the radii of curvature in the partial images b and c being selected in the range from 5 mm to half the diameter of the projection.
  • Subfield a has an infinitely large radius of curvature.
  • the cylindrical or toroidal shapes (partial image d) are distinguished by a concave shape of the end face with a reduced diameter, which is, for example, 1/10 of the diameter of the respective projection.
  • the cup shape (partial image e) means that the end face 13 has a depression with a curved or almost rectangular cross section.
  • a partial component structure of the head part 16 of a projection 12 is illustrated in partial image f of FIG.
  • the head part 16 has a higher modulus of elasticity E 2 (for example from 10 MPa to 10 GPa), while the end face 13 is formed from a material with a reduced modulus of elasticity Ei (for example in the range from 20 kPa to 10 MPa).
  • This two-component construction advantageously also represents an embodiment of a surface structure with an elasticity module that decreases towards the free end of the projection.
  • FIG. 8 illustrates a schematic side view (perpendicular to the direction of inclination) of an embodiment of a projection 12, in which the head part 16 with the contact surface 13 is formed by a membrane or lamella which is angled in the contact state and which consists of the foot part 15 with a reduced thickness and optionally with a increased width (see also Figure 9A).
  • the membrane-shaped head part 16 has the Advantage of an asymmetrical holding force (see Figure 9 below).
  • the modulus of elasticity of the head part 16 is set in the range from 10 MPa to 4 GPa.
  • FIG. 9 illustrates an embodiment of the invention which is of great relevance for technological applications because of the design of the asymmetrical holding force. A high adhesive force is achieved, which can nevertheless be released with little effort, which is important for so-called “pick-and-place” applications.
  • the partial images A and B show side views of the surface structuring according to the invention with the projections 12 parallel ( ⁇ ) or perpendicular (B) to the direction of inclination.
  • the head parts 16 have a membrane or lamella shape with a width in the range from 20 nm to 1000 nm and a thickness in the range from 5 nm to 100 nm.
  • the spacing of the individual projections 12 becomes application-dependent and depending on the setting of the Width of the head parts 16 selected.
  • the projections 12 are at the desired inclination in the room (partial images A, B).
  • the head parts 16 are bent (partial images C, D). Due to the predefined inclination of the
  • more holding structures can be provided in opposite mirror symmetry, e.g. B. four, six or more.
  • analogous adhesive structures with odd numbers of holding structures can be formed, in which the tangential forces compensate each other accordingly.
  • FIG. 10 illustrates the hierarchical formation of fine and substructures on the projections 12 of a surface structured according to the invention.
  • Part A shows schematically an example of a real surface 31 with irregularities on different size scales.
  • the projections 12 carry fine structure projections 40, the fine structure end faces 41 of which in turn carry substructure projections 50 (partial picture C), in accordance with the enlarged detail representation in partial image B.
  • this principle can be continued to further substructures.
  • rod-shaped projections 12 are formed on the surface 11 of the object (carrier 17), each of which has a rectilinear (for example rectangle, square, polygon) or curved end face 13.
  • the end face 13 can in particular be flattened or curved in accordance with the principles mentioned above.
  • the projections 12 each consist of a foot part 15 and a head part 16, on the side of which facing away from the object 10 the end face 13 is formed (see right part of FIG. 11).
  • the end faces 13 formed at the same height above the surface 11 form the contact surface 14 according to the invention.
  • the object is generally a solid, which, for. B. part of a commodity or the like is.
  • the object can have the shape of a layered carrier which is made of a flexible material (e.g. plastic).
  • An additional conventional adhesive layer see FIG. 11
  • surface modification according to the invention see FIG. 13
  • FIG. 12 illustrates that the foot parts 15 of projections 12 formed according to the invention can, at least in part, be oriented at an angle to the surface 11 in order to provide the shear properties explained above.
  • the inclination can restrict themselves to a lower part of the foot parts 15, so that the projections are inclined at a slight height and are vertically aligned in the vicinity of the contact surface 14.
  • the object 10 for example a layered carrier
  • the object 10 can be produced as a composite from different materials.
  • 13 can be modified in their geometric properties depending on the application.
  • 14 square and round end faces 13 are illustrated by way of example.
  • 15 shows that a contact surface (parallel to the plane of the drawing) can be formed by end surfaces 13a, 13b with different dimensions and / or geometries.
  • parts of the contact surface can be equipped with a lower release force in order to facilitate a first breaking open of the adhesive connection, while other parts require a greater release force. This may be easier to apply manually or with a tool after a first break.
  • the end faces 13 are preferably formed with a smaller distance than parallel to the direction D. Furthermore, the end faces are shaped accordingly.
  • the surface of the solid body can be curved.
  • the projections can be formed with different thicknesses of the foot parts, so that gradients of the detachment force result within a contact surface.
  • Gradient contacts have the particular advantage of a location-dependent elastic deformation.
  • the micro contacts do not have to be regular, but can be irregular, e.g. B. meandering, as a labyrinth or statistically distributed.
  • the projections 12 are preferably produced by one of the following methods known per se:
  • quantum dots
  • Micro-spark erosion with metallic surfaces
  • micro-EDM micro-EDM
  • textile fibers e.g. polyamide: diameter 10 ⁇ m, length 1 mm
  • the free ends of the projections 12 are subjected to thermal deformation, which comprises contacting all the free ends of the projections 12 with a heated, preferably PTFE-coated surface (150 ° -270 ° C.) and pulling over the heated surface, so that the free ends deform like a spatula.
  • thermal deformation comprises contacting all the free ends of the projections 12 with a heated, preferably PTFE-coated surface (150 ° -270 ° C.) and pulling over the heated surface, so that the free ends deform like a spatula.
  • the structures formed according to the invention consist, for example, of
  • Polymer e.g. PMMA, PE, polydimethylsiloxane, polyvinylsiloxane, polyamide), metal (e.g. Ni, Cu, Au), or the like
  • Surfaces modified according to the invention can be provided as adhesive surfaces in all techniques in which connections between different objects are to be made releasably. This applies both to micro objects (characteristic dimensions in the ⁇ m and sub- ⁇ m range) and to macroscopic pische items such.
  • Compounds according to the invention can replace suction, Velcro and magnetic holders.
  • FIG. 17 shows an example of a tool 20 with a manipulation arm 21 and an adhesive gripper 22 to which a schematically illustrated object 30 (for example a tool) is adhered.
  • the surface 23 of the adhesive gripper 22 is equipped in accordance with the principles explained above with a microstructuring which effects the connection to the object 30.

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Abstract

Es werden Verfahren zur Oberflächenmodifizierung eines Objektes, um die Adhäsionsfähigkeit des Objektes zu erhöhen, beschrieben, wobei die Oberfläche einer Strukturierung unterzogen wird, so dass eine Vielzahl von Vorsprüngen gebildet wird, die jeweils mit einem Fussteil und einem Kopfteil gebildet werden, wobei der Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche besitzt, wobei jeder Vorsprung mit einer Grösse derart gebildet wird, dass alle Stirnflächen die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche besitzen und eine adhärente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen unterbrochene Kontaktfläche bilden.

Description

Mikrostrukturierte Oberflächen mit gesteigerter Adhäsion
Die Erfindung betrifft Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 2, insbesondere Verfahren zur Mikrostrukturie- rung von Festkörperoberflächen, Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus Objekten mit modifizierten Oberflächen, Objekte mit adhäsionssteigernd modifizierten Oberflächen und mit derartigen Objekten hergestellte Verbindungen.
Haftverbindungen zwischen gleichartigen oder verschiedenartigen Materialien, die einerseits zuverlässig vorbestimmte Haftkräfte ausbilden und andererseits reversibel lösbar sind, besitzen in der Technik eine große Bedeutung. Anwendungen umfassen beispielsweise die lösbare Verbindung von Bauteilen mittels Klettverbindungen, die Manipulation von Objekten mittels Werkzeugen, magnetische Halterungen von Objekten, Verbindungselemente an Textilprodukten, das zeitweilige Fixieren von Gegenständen (z. B. Notizzetteln) im Bürobereich und dgl. Es wurden zahlreiche Verbindungstechniken entwickelt, die an die jeweilige Aufgabenstellung speziell angepasst sind. Beispielsweise ist es bekannt, in der Automatisierungstechnik Gegenstände mit Saugverbindungen reversibel an Manipulatoren anzubringen und mit diesen zu bewegen. Derartige Saugverbindungen besitzen jedoch einen erheblichen technischen Aufwand. Des Weiteren können reversible Haftverbindungen auch mit Klebstoffen hergestellt werden. Dies besitzt jedoch Nachteile in Bezug auf die ggf. beschränkte chemische Verträglichkeit der verbundenen Materialien mit dem verwendeten Klebstoff und in Bezug auf die Bildung von Rückständen.
Es sind auch rückstandsfreie Haftverbindungen bekannt, die insbesondere auf einer chemischen und/oder mechanischen Modifizierung der Oberflächen der zu verbindenden Materialien beruhen. Bspw. werden in US 5 755 913 verschiedene Möglichkeiten einer chemischen Modifizierung von Polymerschichten zur Erhöhung von deren Adhäsionsfähigkeit beschrieben. Die Oberflächenbausteine einer Polymerschicht werden bspw. durch chemische Behandlung oder Bestrahlung so modifiziert, dass freie Bindungsplätze, elektrostatische Wechselwirkungen, ionische Wechselwirkungen oder andere Bindungserscheinungen auftreten. Ein wichtiger Nachteil der chemischen Modifizierung besteht in deren Beschränkung auf bestimmte Polymermaterialien.
Aus US 6 099 939, US 6 107 185 und US 4 615 763 sind mechanische Oberflächenmodifizierungen bekannt, die im Wesentlichen auf einer Aufrauhung von Oberflächen beruhen. Die Aufrauhung erfolgt bspw. durch selektives Ätzen. Durch die veränderte Oberflächenmorphologie soll die effektiv haftende Oberfläche des Materials vergrößert werden. Ein Nachteil dieser Technik besteht wiederum in der Beschränkung auf bestimmte Materialien, z. B. Polymere. Diese Materialien müssen ferner genügend weich sein, da sonst die Kontaktbildung gerade durch die höchsten Erhebungen in der aufgerauten Oberfläche behindert wird. Schließlich sind die Techniken zur Aufrauhung der Oberfläche schwer steuerbar, so dass nur beschränkt quantitativ definierte Haftkräfte eingestellt werden können.
Aus WO 99/32005 ist bekannt, die Oberflächen von Gegenständen durch ein Befestigungselement zu modifizieren, das aus einem schichtförmigen Träger und stabförmigen Vorsprüngen besteht. Der Träger wird auf den zu modifizierenden Gegenstand aufgeklebt, so dass die Vorsprünge in den Raum ragen und eine Verankerung mit einer entsprechend modifizierten Oberfläche eines weiteren Gegenstandes bewirken. Das Befestigungselement bildet somit keine Adhäsionsverbindung, sondern eine mechanische Verankerung. Die stabförmigen Vorsprünge müssen notwendig mit einer hohen Stabilität und passenden Geometrie hergestellt wer- den. So besitzen die Vorsprünge charakteristische Querschnittsdimensionen und gegenseitige Abstände im mm-Bereich. Zur Herstellung einer zuverlässigen Haftverbindung muss zusätzlich Klebstoff verwendet werden.
Die Modifizierung der Oberflächenmorphologie von Festkörpern ist auch in anderen technischen Zusammenhängen bekannt. Bspw. werden in WO 96/04123 und WO 00/50232 eine selbstreinigende Wirkung von Oberflächen mit einer Struktur aus Erhebungen und Vertiefungen beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass strukturierte Oberflächen aus hydrophoben Polymeren mit typischen Strukturierungsdimensionen oberhalb von 5 μm eine adhäsions- indernde Wirkung besitzen.
Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass im Verlauf der Evolution auch in der Natur Haftsysteme entwickelt wurden, die bspw. Insekten erlauben, auf beliebig orientierten Oberflächen zu laufen oder unter bestimmten Bedingungen Körperteile aneinander zu fixieren. Diese Haftsysteme basieren auf der Ausbildung feinster Behaarungen, z. B. an den Insektenbeinen, wie bspw. von M. Scherge und S. N. Gorb in "Biological Micro- and Nanotribology" (Springer-Verlag) beschrieben wird.
Haftsysteme auf der Grundlage adhäsiver MikroStrukturen wurden auch nach der Untersuchung der Strukturen entwickelt, die an Gecko-Beinen gebildet sind (siehe WO 01/49776) . Diese Versuche, die Haftsysteme des Gecko technisch zu verwenden, blieben jedoch auf die Übertragung der Gecko-Strukturen auf technische Gegenstände oder deren synthetische geometrische Nachbildungen beschränkt. Die reine Nachbildung der Gecko-Strukturen besitzt jedoch den Nachteil, dass die Anwendung entsprechender Haftsysteme auf ideale, glatte Oberflächen beschränkt ist und in Bezug auf die Haltekräfte und die Anwendung bei realen, insbesondere rauhen oder fraktalen Oberflächen Nachteile aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zur Oberflachenmodifizierung bereit zu stellen, mit denen die Adhäsionsfähigkeit der modifizierten Oberflächen erhöht wird und mit denen die Nachteile der herkömmlichen Techniken vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere die Ausbildung lösbarer Haftverbindungen für einen erweiterten Bereich von Materialien und Oberflächen, eine erhöhte Adhasionsfahigkeit an realen, ggf. unebenen Oberflächen und die Einstellung vorbestimmter Haftkräfte oder -eigenschaften ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundes aus mehreren Objekten, deren Oberflächen zur Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit modifiziert sind. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Bereitstellung verbesserter Oberflächenmodifizierungen, die eine erhöhte Adhäsionsfähigkeit ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch Verfahren und strukturierte Oberflächen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 2, 29 oder 30 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem wichtigen Merkmal der hier beschriebenen Verfahren zur Oberflachenmodifizierung eines Objektes ist vorgesehen, dass die Oberfläche einer Strukturierung durch Bildung einer Vielzahl von Vorsprüngen jeweils mit einer Stirnfläche unterzogen wird, wobei die Vorsprünge derart dimensioniert werden, dass sämtliche Stirnflächen die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche besitzen und damit eine adharente Kontaktfläche bilden, die lediglich durch gegenseitigen Abstände oder Lücken zwischen den Stirnflächen unterbrochen ist. Durch diese Maß- nähme wird die ursprünglich (unmodifizierte) geschlossene Oberfläche in eine Kontaktfläche überführt, in der die Stirnflächen eine Vielzahl von Einzelkontakten (sogenannte Mikro- kontakte) bilden. Vorteilhafterweise wird durch diese Aufspaltung in Mikrokontakte eine Adhäsionserhöhung erzielt, wie durch Experimente und die unten genannten theoretischen Überlegungen gezeigt werden konnte. Dieses Ergebnis ist überraschend, da die Kontaktfläche als Summe der Stirnflächen zunächst eine kleinere Haftfläche zu bieten scheint als die ursprünglich unmodifizierte Oberfläche. Dennoch wird die Adhäsionsfähigkeit erhöht, wobei dies sogar in vorbestimmter Weise auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zugeschnitten werden kann. Die Anordnung der Stirnflächen mit einer konstanten senkrechten Höhe über der Oberfläche besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass die Haftverbindung nicht durch vorstehende Mikrokontakte geschwächt wird.
Erfindungsgemäß sind die Vorsprünge gegenüber der Oberfläche geneigt gebildet. Durch die Neigung der Vorsprünge wird bei der Ausbildung einer Haftverbindung zwischen zwei Objekten bei der Kontaktbildung eine Scherkomponente aufgebracht, durch die die Adhäsionsfähigkeit erhöht wird. Die Neigung, die Elastizität, die Dimensionierung und/oder die unten erläuterter Elastizitätsparameter der Vorsprünge können vorteilhafterweise je nach Anwendung optimiert werden.
Die oben genannte Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem ersten wichtigen Gesichtspunkt dadurch gelöst, dass die Vorsprünge relativ zur Oberfläche geneigt aus einem elastischen Material mit einem Gradienten des Elastizitätsmoduls gebildet werden. Wenn sich die Biegesteifigkeit der Vorsprünge hin zu deren freien Ende und/oder radial quer zu ihren Längsausdehnungen vermindert, ergeben sich die folgenden Vorteile. Die Er- finder haben festgestellt, dass eine Haftverbindung mit einer positiven Anziehungskraft zwischen der strukturierten Oberfläche und einem angrenzenden Körper dann gebildet wird, wenn der Energiegewinn durch die Adhäsion der Kontaktfläche zum Körper größer als die elastische Energie ist, die zur Verbiegung der Vorsprünge erforderlich ist. Durch die Erzeugung des Elastizi- täts- oder Biegesteifigkeitsgradienten wird vorteilhafterweise die zur Verbiegung der Vorsprünge erforderliche elastische Energie vermindert, so dass die positive Haftwirkung leichter erzielt wird. Dieser Vorteil ist besonders bei der Anwendung der Erfindung an realen, insbesondere rauhen, unregelmäßig strukturierten Oberflächen ausgeprägt. An derartigen Oberflächen sind Unebenheiten gegeben, die zu einer Verbiegung der Vorsprünge führen. Durch die erfindungsgemäße Einführung des Elastizitätsgradienten wird der Energieverlust durch die Verbiegung an den Vorsprüngen vermindert und dadurch die Adhäsion verbessert.
Wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Gradient des Elastizitätsmoduls zwischen einem oberen und einem unteren Elastizitätswert gebildet wird, wobei der obere Elastizitätswert zwischen 10 MPa und 10 GPa und der untere Elastizitätswert zwischen 20 kPa und 10 MPa liegen, können sich Vorteile in Bezug auf ein besonders weiches Einbiegen der Vorsprünge und damit für einen besonders hohen Adhäsionsgewinn ergeben.
Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorsprünge mit einem effektiven elastischen Modul gebildet, dessen Größe vom Elastizitätsmodul des Materials der Vorsprünge, deren Flächendichte und deren geometrischen Längen- und Querschnittsmaßen abhängt, wobei das effektive elastische Modul mit einem Wert im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa eingestellt wird. Durch diese Maßnahme wird wiederum der Energieverlust beim Verbiegen der Vorsprünge an realen Oberflächen vermindert und dadurch die Adhäsionswirkung verbessert.
Die Vorsprünge der erfindungsgemäß gebildeten Oberflächenstruktur bilden relativ zur lokalen Ausrichtung der strukturierten Oberfläche vorzugsweise einen Winkel im Bereich von 89 ° bis 45 °, insbesondere von 80 ° bis 40 Grad. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bereits eine minimale Neigung der Vorsprünge bei Kontaktbildung mit einem angrenzenden Körper zu einer Verbiegung der Vorsprünge in die gewünschte Richtung führt. Bei der Einstellung dieser Neigungswinkel können sich Vorteile für eine verbesserte Anpassung der Kontaktfläche an eine reale Oberfläche ergeben.
Eine Kontaktfläche wird durch die Gesamtheit der Stirnflächen gebildet. Bei Herstellung einer Haftverbindung berührt die Kontaktfläche die Oberfläche des jeweils anderen Gegenstandes, ohne eine Verankerung einzugehen und ohne ein Ineinandergreifen der Vorsprünge. Die Haftverbindung wird durch van der Waals-Kräfte vermittelt. Zusätzliche Beiträge können durch e- lektrostatische Kräfte oder Kapillarkräfte geliefert werden.
Die Abstände zwischen den Vorsprüngen sind geringer als die Querschnittsdimensionen der Stirnflächen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Vorsprünge derart angeordnet, dass die Stirnflächen ein regelmäßiges Muster (oder Gitter) bilden. Im Unterschied zur herkömmlichen Aufrauhung von Oberflächen besitzt die periodische Anordnung der Vorsprünge den Vorteil, dass Schwachstellen in der Haftverbindung vermieden und eine Homogenisierung der Kontakte erzielt werden. Gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung wird die Kontaktfläche so gebildet, dass die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen weniger als 10 μm, insbesondere weniger als 5 μm (z. B. 4 μm oder weniger) betragen. Des Weiteren besitzen die Stirnflächen vorzugsweise charakteristische Querschnittsdimensionen von weniger als 5 μm. Diese Dimensionierungen, die gemeinsam oder unabhängig realisiert werden und sich ggf. lediglich auf eine Bezugsrichtung beziehen, besitzen den Vorteil einer besonderen Adhäsionserhöhung. Die Auswahl einer Dimensionierung richtet sich nach der konkret zu erzielenden Haftkraft. Die Haftkraft nimmt bei gegebener Gesamtfläche der Mikrokontakte mit der Wurzel aus der Anzahl der Mikrokontakte zu. Mit erfindungsgemäß modifizierten Oberflächen können sogar makroskopische Objekte, z. B. Werkzeuge, zuverlässig miteinander verbunden werden, ohne dass das Gewicht eines der Objekte die Haftverbindung unterbrechen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzen die Stirnflächen der Vorsprünge, die gemeinsam die Kontaktfläche bilden, jeweils eine gewölbte Stirnflächenform, die vorzugsweise mit einer Halbkugelform, einer Zylinderform, einer Torusform und/oder einer Napfform realisiert wird. Die
Stirnflächenform kann innerhalb der Vielzahl von Vorsprüngen variieren. Die Gestaltung der gewölbten Stirnflächenform, die sich durch erstmalig von den Erfindern vorgenommene Rechnungen ergeben haben, besitzt den Vorteil, dass die Haftkraft der Einzelkontakte durch die genannten Geometrien verbessert wird. Die in Richtung der Längsausdehnung der Vorsprünge nach außen oder entgegengesetzt gewölbten Stirnflächen liefern beim Anlegen an eine angrenzenden Körper einen verminderten Energieverlust bei der Kompression und einen wirkungsvollen Flächenzu- wachs zur Vergrößerung der Adhäsionsflächen der Einzelkontakte.
Diese Vorteile sind besonders ausgeprägt, wenn die Vorsprünge mit runden Stirnflächen mit einem Durchmesser im Bereich von 20 nm bis 20μm und einem Krümmungsradius der Stirnflächenform gebildet wird, der zwischen dem halben Wert des Stirnflächendurchmessers und 5 mm gewählt ist.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorsprünge mit Kopfteilen gebildet sind, die jeweils eine Membran- oder paddeiförmige Erweiterung der Fußteile darstellen, wobei die Dicke der Kopfteile geringer als die Dicke der Fußteile ist. Diese Gestaltung besitzt den besonderen Vorteil, dass die Kopfteile leichter als die Fußteile der Vorsprünge verbogen und dadurch mit geringem Energieverlust beim Kontakt zwischen der strukturierten Oberfläche und einem angrenzenden Körper an dessen Oberfläche angelegt werden können. Entsprechend der Neigung der Vorsprünge hin zur strukturierten Oberfläche erfolgt auch das weitere Biegen der Kopfteile.
Die Kopfteile werden sämtlich mit der gleichen Orientierung relativ zu den Fußteilen gebogen, so dass vorteilhafterweise eine Asymmetrie der Kontaktstruktur erreicht wird. Bei Belastung der Adhäsionsverbindung in einer Richtung entgegengesetzt zur Ausrichtung der Kopfteile ist die Haltekraft größer als bei einer Belastung in einer Richtung entsprechend der Richtung der abgebogenen Kopfteile. Dieser Unterschied der Haltekraft liefert zusätzliche Tangentialkräfte, die bei einer spiegelsymmetrischen Kombination entgegengesetzt geneigter Haltestrukturen wirkungsvoll ausgenutzt werden können. Die membranförmigen Kopfteile besitzen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm und laterale Dimensionen (Länge, Breite) im Bereich von 20 nm bis 1000 nm. Bei Einstellung dieser geometrischen Parameter können besonders hohe Haltekräfte bei einer geringen Beeinflussung benachbarter Vorsprünge erzielt werden.
Wenn die membranförmigen Kopfteile gemäß einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung mit einem Elastizitätsmodul im Bereich von 10 MPa bis 10 GPa gebildet sind, wird der E- nergieverlust beim Anlegen der strukturierten Oberfläche an einen angrenzenden Körper vorteilhafterweise weiter vermindert.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung, dass mit Vorteil bei beiden oben genannten Gesichtspunkten der Elastizitätseinstellung realisiert sein kann, ist die Einstellung eines besonders hohen Aspektverhältnisses, d.h. des Verhältnisses aus Länge und Dicke der Vorsprünge von mindestens 5:1. Die Einstellung eines hohen Aspektverhältnisses besitzt den Vorteil einer weichelastischen Verbiegung der Vorsprünge bei Herstellung des Kontakts zum angrenzenden Körper.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung besteht in der ~~ Schaffung einer hierarchischen Oberflächenstruktur, bei der jeweils auf den Stirnflächen von Vorsprüngen wiederum Vorsprünge mit Stirnflächen gebildet sind, welche ihrerseits Vorsprünge mit gegebenenfalls weiter strukturierten Stirnflächen tragen. Die hierarchische Oberflächenstruktur besitzt den folgenden Vorteil.
Für Haftsysteme zum Anhaften bestimmter Körper an glatten Oberflächen können die Oberflächenkontakte in Bezug auf ihre Elastizität und die Geometrie an sich optimal angepasst werden. Dies gilt jedoch lediglich für ideal glatte Oberflächen. Reale Oberflächen hingegen haben eine fraktale Struktur derart, dass auf verschiedenen Längenskalen Unebenheiten, Rauhigkeiten und Welligkeiten auftreten. Die Unebenheiten besitzen typische Dimensionen, die ein Ortsfrequenzspektrum vom mm- über den μm- bis zum nm-Bereich aufspannen. Durch die genannte hierarchische Strukturierung und Sub-Strukturierung der Vorsprünge wird die erfindungsgemäß strukturierte Oberfläche optimal an die reale Oberfläche angepasst. Für jeden Teil des Ortsfrequenzspektrums der Unebenheiten des angrenzenden Körpers liefert die erfindungsgemäße strukturierte Oberfläche eine sich an den Oberflächenverlauf des angrenzenden Körpers passende Kontaktstruktur.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die hierarchische Struktur mindestens drei Strukturebenen umfasst, bei der die Stirnflächen der Vorsprünge auf der strukturierten Oberfläche jeweils Feinstruktur-Vorsprünge tragen, deren Stirnflächen mit Sub- strukturen ausgestattet sind. Wenn die Substrukturen- Vorsprünge eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 200 nm besitzen, werden die Feinstruktur-Vorsprünge vorzugsweise mit einem 10- bis 100-fach größeren Dickenwert und die (Haupt-) Vorsprünge wiederum mit einem 10- bis 100-fach höheren Dickenwert gebildet. Bei der Einstellung dieser geometrischen Parameter wird die strukturierte Oberfläche optimal angepasst.
Gemäß einem wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung werden die Feinstruktur- und/oder Substruktur-Vorsprünge mit einem elektrostatischen Beflockungsverfahren hergestellt, das an sich aus der Textilindustrie bekannt ist (siehe zum Beispiel EP 158 721, DD 156 825) . Die Anwendung dieses Verfahrens besitzt den besonderen Vorteil, dass die Strukturierung mit einer hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit realisiert werden kann.
Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Vorsprünge, deren freie Enden die Kontaktfläche der Haftstruktur bilden, verschiedenartige Vorsprünge umfassen, die eine Verteilung von verschiedenen Formen, Materialien, Elastizitätseigenschaften und/oder Größen der Vorsprünge darstellen, kann durch diese Variabilität vorteilhafterweise eine universal an jeder Oberfläche haltende HaftStruktur gebildet werden.
Die Strukturierung kann erfindungsgemäß integral in der Oberfläche eines Objekts oder integral mit einem schichtförmigen Träger durch eine Mikrostrukturierungstechnik gebildet sein. Im letzteren Fall wird der Träger adhärent, z. B. durch eine erfindungsgemäß modifizierte Oberfläche vermittelt oder durch einen Klebstoff auf einem Objekt fixiert.
Erfindungsgemäß können die Vorsprünge oder zumindest die Stirnflächen zur Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit der Mikrokontakte durch chemische Modifizierung der Stirnflächen und/oder Aufbringung eines zusätzlichen Klebstoffs oder einer Flüssigkeit mit Oberflächenspannung (Kapillarkraft) modifiziert sein.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine Beschränkungen in Bezug auf die Art der modifizierten Festkörperoberflächen besteht. So können die erfindungsgemäßen Kontaktflächen insbesondere in Polymermaterialien, Metallen, Legierungen, Halbleitern, dielektrischen Festkörpern oder Keramiken gebildet werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Objekten, von denen mindestens ein Objekt in mindestens einem Teilbereich seiner Oberfläche entsprechend dem oben genannten Verfahren modifiziert worden ist. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die an dem mindestens einem Objekt gebildete Kontaktfläche in Verbindung mit dem anderen Objekt gebracht wird. Im Unterschied zu herkömmlich modifizierten Oberflächen erfolgt diese Verbindung verankerungsfrei. Zwischen den Vorsprüngen wird keine mechanische Verankerung gebildet. Die Kontaktfläche des einen Objekts berührt eine Kontaktfläche oder eine unmodifizierte Oberfläche des anderen Objekts.
Ein weiterer Gegenstand ist die Bereitstellung einer strukturierten Oberfläche eines Festkörpers mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit, die sich insbesondere durch die oben beschriebene Kontaktfläche aus einer Vielzahl von Mikrokontakten auszeichnet .
Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Die Adhäsionsfähigkeit von Kontaktflächen wird gegenüber herkömmlich modifizierten Oberflächen erheblich gesteigert. Es werden Haftfähigkeiten von bis zu 105 N/m2 (Radius Kugelkontakt 1 μm) oder bis zu 107 N/m2 (Radius Kugelkontakt 10 nm) erreicht. Erfindungsgemäß modifizierte Oberflächen ermöglichen rückstandsfreie, inerte Haftverbindungen, d'-CeT sowohl in Mikrotechnologien als auch mit makroskopischen Gegenständen anwendbar sind. Die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung kann mit an sich verfügbaren Strukturierungstechniken mit geringem Aufwand hergestellt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Illustration der erfindungsgemäßen Bildung einer Kontaktfläche,
Fig. 2: eine Illustration zur theoretischen Beschreibung geneigter Vorsprünge einer erfindungsgemäß modifizierten Oberfläche,
Fig. 3: Kurvendarstellungen zur Illustration optimierter Elastizitätseigenschaften erfindungsgemäß gebildeter Kontaktflächen,
Fign. 4 bis 10: schematische Illustrationen wichtiger Merkmale erfindungsgemäß gebildeter Oberflächenstrukturen entsprechend verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung,
Fign. 11 bis 13 : schematische Schnittansichten verschiedener
Ausführungsformen erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen,
Fign. 14 bis 16: schematische Draufsichten verschiedener Gestaltungen von Kontaktflächen, und
Fig. 17: ein Werkzeug, das mit einer erfindungsgemäß modifizierten Oberfläche ausgestattet ist.
Theoretische Grundlagen
Im Folgenden wird die Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit durch Bildung einer Vielzahl von Mikrokontakten am Beispiel halbkugelförmiger Stirnflächen beschrieben. Dies dient lediglich der Illustration der erfindungsgemäß erzielten Wirkung, stellt jedoch keine Beschränkung auf die modellmäßig verwendete Stirn- flächengeometrie dar. Vielmehr können die Stirnflächen alternativ andere, insbesondere abgeplattete Gestaltungen besitzen, wie unten erläutert wird.
Die klassische Kontakttheorie beschreibt den Kontakt einer halbkugelförmigen Stirnfläche mit einem flachen, harten Substrat zunächst entsprechend der sogenannten Hertz-Gleichung gemäß :
d3 = (12 • RF) / E* (1)
Dabei ist R der Radius der Halbkugel, F die ausgeübte Druckkraft, E* ein mittlerer Elastizitätsmodul und d der Durchmesser des Mikrokontakts zwischen der halbkugelförmigen Stirnfläche und dem Substrat. Wenn Adhäsionseffekte zwischen dem Substrat und der Stirnfläche berücksichtigt werden, so ergibt sich eine modifizierte Gleichung entsprechend der sogenannten JKR-Theorie (Johnson, Kendall & Roberts, 1971) :
d3 = [ (12 • RF) / E* ] {F + 3πRγ + [ 6πRγF + (3πRγ)2]172} (2)
In dieser Gleichung ist zusätzlich die Adhäsionsenergie γ berücksichtigt. Aus der JKR-Theorie ergibt sich eine endliche
Ablösekraft gemäß der folgenden Gleichung
Fc = 3/2 • πRγ (3)
Die Gleichung (3) zeigt, dass die Adhäsionskraft Fc überraschenderweise zum Umfang des Mikrokontakts proportional ist. Daraus folgt, dass eine Aufspaltung einer zunächst geschlossenen, unmodifizierten Oberfläche in eine Vielzahl von Mikrokontakten die Adhäsionskraft gemäß Gleichung (4) erhöht: F ' c = (n) 1 2 • Fc ( 4 )
In Gleichung (4) ist n die Zahl der Mikrokontakte. Durch die Bildung von Mikrokontakten kann somit die Adhäsionskraft erhöht werden. Dieses Konzept, das auch als Adhäsionserhöhung durch Multiplizität von Mikrokontakten bezeichnet wird, ist in Fig. 1 schematisch illustriert.
Fig. 1 zeigt im linken Teil ein Objekt 10 in Seitenansicht (oben) und in Draufsicht auf die untere, unstrukturierte Oberfläche 11' (unten). Im rechten Teil von Fig. 1 ist die erfindungsgemäß vorgesehene Mikrostrukturierung der Oberfläche 11 zur Erzeugung einer Vielzahl von Vorsprüngen 12 illustriert. Jeder Vorsprung 12 bildet auf seiner vom Objekt 10 wegweisenden Seite eine Stirnfläche 13. Die Stirnflächen 13 bilden eine Vielzahl von Mikrokontakten. Die Mikrokontakte 13 bilden eine Kontaktfläche 14, die durch die Abstände zwischen den Stirnflächen 13 unterbrochen ist und entsprechend der oben ausgeführten Überlegungen eine erhöhte Adhäsionskraft im Vergleich zur unstrukturierten Oberfläche 11' besitzt.
Die geometrischen Dimensionen der Vorsprünge 12 sind vorzugsweise wie folgt gewählt: Abstände der Stirnflächen: 1 nm bis 10 μm, insbesondere weniger als 5 μm (z. B. 4 μm oder weniger), Querschnittsdimension der Stirnflächen (zumindest in Richtung der lateralen Hauptbelastung, siehe unten) : 1 nm bis 5 μm, und Höhe: z. B. im μm-Bereich, je nach Anwendung und Strukturierungstechnik. Verschiedene Gestaltungsformen der Vorsprünge 12 sind unten unter Bezug auf die Figuren 4 bis 6 beispielhaft erläutert.
Eine weitere Verbesserung der Adhäsionskraft ergibt sich, wenn mit den Vorsprüngen 12 zusätzlich eine Scherkraft aufgebracht ist, wie im Folgenden unter Bezug auf die Figuren 2 und 3 erläutert wird.
Der Vorsprung 12 wird als weichelastisches Band betrachtet, das bei Kontaktbildung mit einem angrenzenden Körper gegenüber dessen Oberfläche 31um einen Winkel α geneigt ist. Die Ablösekraft F steht mit der van der Waals-Brucharbeit w gemäß Gleichung (5) in Beziehung:
wtδα= F(l-cosα)δα+ (F2/Eht) δ (5)
In Gleichung 5 sind t die Breite des Bandes, h die Dicke des Bandes, E das Young-Modul (Elastizitäts-Modul) des verbogenen Teils und δα eine infinitesimal kleine Verbiegung des Vorsprungs 12. Die Dicke ist die Querschnittsdimension des Vorsprungs entsprechend der Neigungsausrichtung relativ zur Oberfläche. Die Lösung der quadratischen Gleichung (5) ergibt die Ablösekraft gemäß Gleichung (6) :
= 2wt /{[(1-cosα)2 + λ]12 + (1-cosα)}, wobei λ = 4w/Eh (6;
In Gleichung 6 stellt λ einen Elastizitätsparameter dar, der von der Brucharbeit, dem Young-Modul und der Dicke h des Vorsprungs 12 abhängig ist. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der Optimierbarkeit einer strukturierten Oberfläche in Bezug auf den Parameter λ (siehe unten) .
Die für die Adhäsion zwischen zwei sich berührenden Körpern interessierende Größe ist die vertikale Projektion der Kraft F, die gemäß Gleichung 7 darstellbar ist.
W = 2wtsinα / { [ ( 1-cosα) 2 + λ]1/2 + ( 1-cosα) } ( 7 ) Es zeigt sich, dass für die vertikale Ablösekraft W die Elastizität eine hohe Bedeutung insbesondere für kleine Dimensionen des Vorsprungs und für geringe Young-Module besitzt. Typische Parameter, die entsprechend biologischen Haftsystemen gewählt sind, betragen:
w * 10 ... 40 mJ/m2, E * 1 MPa, h = 1 μm, λ * 0.04 ... 0.16
In Fig. 3 ist das Verhalten des Parameters W/wt in Abhängigkeit von verschiedenen Neigungswinkeln α illustriert. Für geringe Elastizitätsparameter λ besteht eine starke Abhängigkeit der Ablösekraft vom Neigungswinkel. Für einen mittleren Bereich von ungefähr 0.04 bis 0.16 ist die Abhängigkeit vom Neigungswinkel relativ gering, d. h. die vertikale Ablösekraft ist nahezu konstant. Bei größeren λ-Werten verringert sich die Ablösekraft.
Erfindungsgemäß werden somit die Vorsprünge vorzugsweise mit einem derartigen λ-Parameter gebildet, dass die vertikale Ablösekraft möglichst winkelunabhängig ist. Dies führt vorteilhafterweise zu einer hohen Robustheit von Haftverbindungen. Eine hohe Robustheit äußert sich darin, dass die Kontaktfes-
-tig-ke t--.-un.-ibhäXLg±g-_3θ-m----_WLn-ke1-_-----_i Lt_uj^
Auftrennen der Verbindung nicht automatisch zu einer vollständigen Trennung führt.
Da der Elastizitätsparameter λ sowohl von der Dicke t des Vorsprungs als auch vom Young-Elastizitätsmodul abhängt, kann die Strukturierung je nach dem verwendeten Materialsystem und der Strukturgeometrie optimiert werden. Erfolgt beispielsweise die Strukturierung der Oberfläche eines harten Halbleitermaterials (z. B. Si) mit einem hohen E-Wert, so wird eine geringe Dicke t im nm-Bereich bevorzugt. Bei weicheren Materialien (Kunst- stoff) mit geringerem E-Wert kann die Dicke breiter im μm- Bereich gewählt sein.
Für praktische Anwendungen wird ein Neigungswinkel α = 20° bis 40°, insbesondere 30° bevorzugt, bei dem die vertikale Ablösekraft maximal ist. Dies entspricht einem Winkel gegenüber der Oberflächennormalen von 80° bis 50°, insbesondere 60°.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen
Figur 4 illustriert in schematischer, vergrößerter Schnittansicht eine erfindungsgemäß gebildete Oberflächenstruktur, bei der eine Vielzahl von geneigten Vorsprüngen 12 jeweils mit einem Fußteil 15 vorgesehen sind, dessen freies Ende ein Kopfteil 16 mit einer Stirnfläche 13 bildet. Die Neigung der Vorsprünge 12 ist für die Haftung der Strukturen an technischen Oberflächen (Oberflächen mit fraktaler Rauhigkeit) von großer Bedeutung, da die Vorsprünge im geneigten Zustand eine höhere Nachgiebigkeit zeigen und weniger Energie zur Verbiegung erfordern (Minimierung der gespeicherten elastischen Energie) . Im Unterschied zu geraden Vorsprüngen, die bei herkömmlichen HaftStrukturen vorgesehen sind, wird der hohe Energieverbrauch, der bei einer Stauchung einer geraden Struktur erforderlich wäre, vermieden.
Der Neigungswinkel φ wird beispielsweise im Bereich von 45° bis 89°, insbesondere 60° bis 80° gewählt.
Erfindungsgemäß ist in den Vorsprüngen 12 ein Elastizitätsgradient gebildet, dessen Varianten in Figur 5 illustriert sind. Gemäß dem linken Teilbild von Figur 5 wird die Biegefähigkeit vom Fußteil 15 hin zur Stirnfläche 13 stufenlos vermindert. Dies wird durch die Einstellung eines Elastizitätsmoduls E2 am Fußteil von z. B. 2 GPa erreicht, der sich bis zur Stirnfläche 13 zu einem Wert von z. B. 20 kPa vermindert. Entsprechend wird das Material (z. B. Polymer) entlang dem Vorsprung 12 hin zu seinem freien Ende (Stirnfläche 13) weicher oder in umgekehrter Richtung steifer. Alternativ oder zusätzlich ist gemäß dem rechten Teilbild von Figur 5 ein radialer Gradient vorgesehen, mit dem ebenfalls die elastische Energie beim Verbiegen der Vorsprünge 12 vermindert werden kann. Beispielsweise ist der Vorsprung 12, der im rechten Teilbild von Figur 5 in vergrößerter Schnittansicht mit einem runden Querschnitt gezeigt ist, im Innern mit einem Elastizitätsmodul E2 von z. B. 2 GPa gebildet, der sich nach außen zur lateralen Oberfläche des Vorsprungs 12 zu einem Wert Ei von z. B. 20 kPa vermindert.
In Figur 6 sind weitere Merkmale erfindungsgemäßer Strukturen mit geneigten Vorsprüngen 12 mit einer optimierten Biegestei- figkeit gezeigt. Wenn ein hohes Aspektverhältnis (Quotient aus Länge a der Vorsprünge 12 und deren Breite in Neigungsrichtung oder Durchmesser b) von mindestens 5 wird, wird die zur Biegebelastung erforderliche elastische Energie vermindert. Die Parameter a und b werden vorzugsweise aus den folgenden Bereichen ausgewählt: a: 2000 nm bis 200 μm, b:20 nm bislO μm.
Der reziproke Wert des Aspektverhältnis a/b bestimmt wesentlich auch der sogenannte effektive elastische Modul E* = E ' N " b2 '(b/a)2, wobei E der Elastizitätsmodul des Materials der Vorsprünge 12 und N die Flächendichte der Kontaktstrukturen ist. Die Flächendichte beträgt z. B. 106 bis 107 cm"2. Der E- lastizitätsmodul z.B. von Polyamid beträgt 2 GPa. Die Größe E* wird vorzugsweise im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa eingestellt. Figur 7 zeigt neben der ebenen Stirnfläche 13 (Teilbild a, entsprechend Figur 4) Varianten der Kopfteile 16 mit Stirnflächenformen, die als Halbkugel (Teilbilder b, c, f) , Zylinder oder Torus (Teilbild d) oder Napfform (Teilbild e) beschrieben werden können. Die Durchmesser der Vorsprünge 12 liegen beispielsweise im Bereich von 20 nm bis 20 μm, wobei die Krümmungsradien bei den Teilbildern b und c im Bereich von 5 mm bis zum halben Durchmesser des Vorsprungs gewählt sind. Bei Teilbild a ist ein unendlich großer Krümmungsradius gegeben. Die Zylinder- oder Torusformen (Teilbild d) zeichnen sich durch eine konkave Ausformung der Stirnfläche mit einem verminderten Durchmesser aus, der beispielsweise 1/10 des Durchmessers des jeweiligen Vorsprungs ist. Die Napfform (Teilbild e) bedeutet, dass die Stirnfläche 13 eine Vertiefung mit einem gekrümmten oder nahezu rechteckigen Querschnitt besitzt.
In Teilbild f von Figur 7 ist ein mehrkomponentiger Aufbau des Kopfteils 16 eines Vorsprungs 12 illustriert. Das Kopfteil 16 besitzt ein höherer Elastizitätsmodul E2 (z.B. von 10 MPa bis 10 GPa) , während die Stirnfläche 13 aus einem Material mit einem verminderten Elastizitätsmodul Ei (z.B. im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa) gebildet ist. Vorteilhafterweise stellt auch dieser zweikomponentige Aufbau eine Ausführungsform einer 0- berflächenstruktur mit einem sich hin zum freien Ende des Vorsprungs verringernden Elastizitätsmodul dar.
Figur 8 illustriert in schematischer Seitenansicht (senkrecht zur Neigungsrichtung) eine Ausführungsform eines Vorsprungs 12, bei dem das Kopfteil 16 mit der Kontaktfläche 13 durch eine im Kontaktzustand abgewinkelte Membran oder Lamelle gebildet wird, die aus dem Fußteil 15 mit einer verminderten Dicke und gegebenenfalls mit einer erhöhten Breite (siehe auch Figur 9A) hervorgeht. Das membranförmige Kopfteil 16 besitzt den Vorteil einer asymmetrischen Haltekraft (siehe unten Figur 9) . Der Elastizitätsmodul des Kopfteils 16 wird im Bereich von 10 MPa bis 4 GPa eingestellt.
Figur 9 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, die wegen der Ausbildung der asymmetrischen Haltekraft für technologische Anwendungen eine hohe Relevanz besitzt. Es wird eine hohe Haftkraft erreicht, die dennoch mit geringem Aufwand lösbar ist, was für sog. "Pick-and-Place"-Anwendungen von Bedeutung ist. Die Teilbilder A und B zeigen Seitenansichten der erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturierung mit den Vorsprüngen 12 parallel (Ä) oder senkrecht (B) zur Neigungsrichtung. Ausgehend von den Fußteilen 15 besitzen die Kopfteile 16 eine Membran- oder Lamellenform mit einer Breite im Bereich von 20 nm bis 1000 nm und einer Dicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm. Die Abstände der einzelnen Vorsprünge 12 wird anwendungsabhängig und je nach Einstellung der Breite der Kopfteile 16 gewählt.
Ohne Kontakt an den angrenzenden Körper stehen die Vorsprünge 12 mit der gewünschten Neigung in den Raum (Teilbilder A, B) . Wenn ein Kontakt hergestellt wird, werden die Kopfteile 16 abgebogen (Teilbilder C, D) . Durch die vorgegebene Neigung der
Vorsprünge 12 werden alle Kopfteile 16 in die gleiche Richtung abgebogen. Der Adhäsionskontakt wird zwischen den Stirnflächen 13 und dem angrenzenden Körper 30 gebildet. Die Haltekraft einer derartig abgewinkelten Stirnfläche 13 ist bei Belastung parallel oder antiparallel zur Ausrichtung der Kopfteile 16 verschieden. Die verschieden großen Haltekräfte bei verschieden gerichteten Belastungen ermöglichen den Aufbau einer Haftstruktur mit erhöhter Haltekraft, die schematisch in Teilbild E der Figur 9 gezeigt ist. Wenn als Haltestruktur zwei Oberflächenbereiche 11a, 11b (von einem Objekt oder von zwei getrennten Objekten) vorgesehen sind, in denen die Vorsprünge 12 relativ zueinander entgegengesetzt geneigt sind (siehe Pfeile) , kann mit der Haltestruktur eine größere Masse 30 gehalten werden, als dies mit einer entsprechenden Haltestruktur gleicher Größe jedoch mit einheitlicher Neigung möglich wäre. Dies ergibt sich daraus, dass jeweils eine Haltestruktur die Tangentialkräfte der anderen Haltestruktur kompensiert.
Analog zur Darstellung gemäß 9E können erfindungsgemäß mehr Haltestrukturen entgegengesetzt spiegelsymmetrisch vorgesehen sein, z. B. vier, sechs oder mehr. Bei entsprechender Formung der Stirnflächen 13 können analog Haftstrukturen mit ungeraden Zahlen von Haltestrukturen gebildet werden, bei denen sich die Tangentialkräfte entsprechend kompensieren.
Figur 10 illustriert die hierarchische Bildung von Fein- und Substrukturen an den Vorsprüngen 12 einer erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche. Teilbild A zeigt schematisch beispielhaft eine reale Oberfläche 31 mit Unregelmäßigkeiten auf verschiedenen Größenskalen. Für eine optimale Anhaftung in allen Größenbereichen tragen die Vorsprünge 12 entsprechend der vergrößerten Ausschnittsdarstellung in Teilbild B Feinstruktur-Vorsprünge 40, deren Feinstruktur-Stirnflächen 41 wiederum Substruktur-Vorsprünge 50 (Teilbild C) tragen. Dieses Prinzip kann erfindungsgemäß zu weiteren Unterstrukturen fortgesetzt werden.
Allgemein werden mit zunehmender Größe des Objektes, das an realen Oberflächen haften soll, mehr Hierarchieebenen der Un- terstrukturierung eingeführt. Die in der vorliegenden Patentanmeldung zur Charakterisierung der Vorsprünge 12 beschriebe- nen Merkmale können entsprechend bei der Realisierung der Feinstruktur-Vorsprünge 40 bzw. der Substruktur-Vorsprünge 50 vorgesehen sein.
In den Figuren 11 bis 13 sind verschiedene Oberflächenstrukturen schematisch ausschnittsweise vergrößert dargestellt. Diese Darstellungen dienen lediglich der Illustration. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf die gezeigten Geometrien beschränkt. Gemäß Fig. 11 sind auf der Oberfläche 11 des Objekts (Träger 17) beispielsweise stabförmige Vorsprünge 12 gebildet, die jeweils eine geradlinig (z. B. Rechteck, Quadrat, Polygon) oder gekrümmt umrandete Stirnfläche 13 besitzen. Die Stirnfläche 13 kann insbesondere entsprechen den oben genannten Prinzipien abgeplattet oder gewölbt sein. Allgemein bestehen die Vorsprünge 12 jeweils aus einem Fußteil 15 und einem Kopfteil 16, auf dessen vom Objekt 10 wegweisenden Seite die Stirnfläche 13 gebildet ist (siehe rechter Teil von Fig. 11) . Die in gleicher Höhe über der Oberfläche 11 gebildeten Stirnflächen 13 bilden die erfindungsgemäße Kontaktfläche 14.
Das Objekt ist allgemein ein Festkörper, der z. B. Teil eines Gebrauchsgegenstandes oder dgl . ist. Das Objekt kann wie dargestellt die Gestalt eines schichtförmigen Trägers besitzen, der aus einem flexiblen Material (z. B. Kunststoff) besteht. Auf der zur Oberflächenstrukturierung entgegengesetzten Seite des Trägers kann eine zusätzliche herkömmliche Klebstoffschicht (siehe Fig. 11) oder erfindungsgemäße (siehe Fig. 13) Oberflachenmodifizierung vorgesehen sein.
Fig. 12 illustriert, dass die Fußteile 15 erfindungsgemäß gebildeter Vorsprünge 12 zumindest in Teilen gegenüber der Oberfläche 11 geneigt ausgerichtet sein können, um die oben erläuterten Schereigenschaften bereit zu stellen. Die Neigung kann sich auf einen unteren Teil der Fußteile 15 beschränken, so dass die Vorsprünge in geringer Höhe geneigt und in Nähe der Kontaktfläche 14 vertikal ausgerichtet sind.
Fig. 13 zeigt, dass erfindungsgemäß allgemein die Vorsprünge
12 und das Objekt 10 (z. B. schichtförmiger Träger) als Kompo- sit aus verschiedenen Materialien hergestellt sein können.
Die erfindungsgemäß gebildeten Stirnflächen oder Mikrokontakte
13 können je nach Anwendung in ihren geometrischen Eigenschaften modifiziert werden. In Fig. 14 sind beispielhaft quadratische und runde Stirnflächen 13 illustriert. Fig. 15 zeigt, dass eine Kontaktfläche (parallel zur Zeichenebene) durch Stirnflächen 13a, 13b mit verschiedenen Dimensionen und/oder Geometrien gebildet werden können. Beispielsweise können Teile der Kontaktfläche mit einer geringeren Ablösekraft ausgestattet sein, um ein erstes Aufbrechen der Haftverbindung zu erleichtern, während andere Teile eine stärkere Ablösekraft erfordern. Diese kann ggf. nach einem ersten Aufbruch leichter manuell oder mit einem Werkzeug aufgebracht werden.
Falls die Gefahr einer Auftrennung der Haftverbindung (Abzug) in einer Vorzugsrichtung gegeben ist, kann eine Geometrie gemäß Fig. 16 vorgesehen sein. Quer zur Richtung der Delamiϊatϊ7* on D sind die Stirnflächen 13 vorzugsweise mit einem geringeren Abstand gebildet als parallel zur Richtung D. Des Weiteren sind die Stirnflächen entsprechend geformt.
Weitere Abwandlungen erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen, die einzeln oder in Kombination mit den oben genannten Ausführungsformen vorgesehen sein können, werden im Folgenden genannt. Erstens kann die Oberfläche des Festkörpers gekrümmt sein. Es können auf einer Oberfläche mehrere Kontaktflächen wie Inseln oder mit bestimmten geometrischen Umrandungen vorgesehen sein. Die Vorsprünge können mit verschiedenen Dicken der Fußteile gebildet sein, so dass sich innerhalb einer Kontaktfläche Gradienten der Ablösekraft ergeben. Gradientenkontakte besitzen den besonderen Vorteil einer ortsabhängig elastischen Verformung. Die Mikrokontakte müssen nicht regelmäßig, sondern können unregelmäßig, z. B. meanderförmig, als Labyrinth oder statistisch verteilt angeordnet sein.
Die Vorsprünge 12 werden vorzugsweise nach einem der folgenden an sich bekannten Verfahren hergestellt:
- Mikro- oder Nanolithografie der zu modifizierenden Oberflächen,
Mikro-Printing,
- Wachstum von Vorsprüngen durch Selbstorganisation, Strukturierungstechniken, wie sie von der Bildung sogenannter Quantendots bekannt sind,
Mikro-Funkenerosion (bei metallischen Oberflächen) , Mik- ro-EDM,
- Oberflächenbearbeitung mittels Ionenstrahl (fokussiert) , und sogenanntes Rapid Prototyping mit Laserstrahlen (Pulveroder Polymermaterialien) .
Die Herstellung erfindungsgemäßer Strukturen und insbesondere hierarchischer Strukturen gemäß Figur 10 ist grundsätzlich durch Abgießen einer geeigneten Form möglich. Alternativ dazu ist insbesondere zur Herstellung hierarchischer Strukturen gemäß Figur 10 eine Kombination der folgenden Technologien möglich:
- Herstellung einer Form für die erste Hierarchieebene (Vorsprünge 12) : al . Laserstrukturierung von Metalloberflächen (bis 100 μm)
(oder alternativ: a2. Lithographische Strukturierung von Photoresist auf einer Si-Oberflache und anschließende Tiefenätzung durch Boschprozess) b. Abgießen der Strukturen mit Polymeren (z. B. : Polydimethylsiloxan, Polyvinylsiloxan o. dgl.)
- Beschichtung der Oberflächenelemente mit Klebstoff,
- Beflockung der Oberflächen durch einen elektrostatischen FLOCK-Prozess von Textilfasern (z.B.: Polyamid: Durchmesser 10 μm, Länge 1 mm) , und
- Erzeugung von nachgiebigen Kontaktflächen durch Scherung der Strukturen über einer temperierten Oberfläche oder durch Abscheidung einer dünnen Schicht gummielastischen Polymers.
Zur Scherung werden die freien Enden der Vorsprünge 12 einer thermischen Verformung unterzogen, die ein Kontaktieren aller freien Enden der Vorsprünge 12 mit einer erwärmten, vorzugsweise PTFE-beschichteten Oberfläche (150° - 270°C) und ein Ziehen über die erwärmte Oberfläche umfasst, so dass sich die freien Enden spachteiförmig verformen.
Die erfindungsgemäß gebildeten Strukturen bestehen bspw. aus
Polymer (z. B. PMMA, PE, Polydimethylsiloxan, Polyvinylsiloxan, Polyamid), Metall (z. B. Ni, Cu, Au), oder dgl.
Anwendungen
Erfindungsgemäß modifizierte Oberflächen können als Haftflächen bei allen Techniken vorgesehen sein, bei denen lösbar Verbindungen zwischen verschiedenen Objekten hergestellt werden sollen. Dies betrifft sowohl Mikroobjekte (charakteristische Dimensionen im μm- und Sub-μm-Bereich) als auch makrosko- pische Gegenstände, wie z. B. Werkzeuge, Textilien, Papier und dgl. Erfindungsgemäße Verbindungen können Saug-, Klett- und Magnethalterungen ersetzen.
In Fig. 17 ist beispielhaft ein Werkzeug 20 mit einem Manipulationsarm 21 und einem Haftgreifer 22 illustriert, an dem ein schematisch illustrierter Gegenstand 30 (z. B. Werkzeug) adhä- rent angebracht ist. Die Oberfläche 23 des Haftgreifers 22 ist entsprechend dem oben erläuterten Prinzipien mit einer Mikro- strukturierung ausgestattet, die die Verbindung mit dem Gegenstand 30 bewirkt.
Die in der vorliegenden 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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Oberflachenmodifizierung eines Objektes (10), um die Adhäsionsfähigkeit des Objektes zu erhöhen, wobei die Oberfläche (11) einer Strukturierung unterzogen wird, so dass eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) gebildet wird, die jeweils mit einem Fußteil (15) und einem Kopfteil gebildet werden, wobei der Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt und alle Stirnflächen (13) die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche (11) besitzen und eine adharente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen (13) unterbrochene Kontaktfläche (14) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (12) elastisch und relativ zur Oberfläche geneigt aus einem Material gebildet werden, dessen Elastizitätsmodul sich in wenigstens einer der Bezugsrichtungen verringert, die eine Längsrichtung jedes Vorsprungs (12) vom Fußteil (15) zum Kopfteil und eine Querrichtung jedes Vorsprungs axial von der Mitte des Fußteils (15) nach außen umfassen.
2. Verfahren zur Oberflachenmodifizierung eines Objektes (10), um die Adhäsionsfähigkeit des Objektes zu erhöhen, wobei die Oberfläche (11) einer Strukturierung unterzogen wird, so dass eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) gebildet wird, die jeweils mit einem Fußteil (15) und einem Kopfteil gebildet werden, wobei das Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt und alle Stirnflächen (13) die gleiche senkrechte Höhe über der Oberfläche (11) besitzen und eine adharente, durch gegenseitige Abstände zwischen den Stirnflächen (13) unterbrochene Kontaktfläche (14) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (12) mit einer Flächendichte (N) , einem Elastizitätsmodul (E) , einer Länge (a) und einer Dicke (b) der Vor- Sprünge (12) elastisch und relativ zur Oberfläche geneigt aus einem Material so gebildet werden, dass ein effektives elastischer Modul (E*) mit E* = E ' N ' b2 " (b/a)2 einen Wert im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorsprünge (12) aus einem Material gebildet werden, dessen Elastizitätsmodul sich von einem oberen Elastizitätswert zu einem unteren Elastizitätswert verringert, wobei der obere Elastizitätswert im Bereich von 10 MPa bis 10 GPa und der untere Elastizitätswert im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa gewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fußteile (15) mit einem Winkel von 89° bis 45° relativ zur Oberfläche gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Fußteile (15) mit einem Winkel von 80° bis 60° gebildet werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) kleiner als 10 μm sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) kleiner als 5 μm sind.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die Stirnflächen (13) eine charakteristische Querschnittsdimension besitzen, die kleiner als 20 μm und größer als 20 nm ist.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass die Stirnflächen (13) wenigstens eine der gewölbten Stirnflächenformen aufweisen, die eine Halbkugelform, eine Zylinderform, eine Torusform oder eine Napfform umfassen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die geometrische Stirnflächenform mit einem vorbestimmten Stirnflächendurchmesser und einem Krümmungsradius gebildet wird, der im Bereich von 5 mm bis zur Hälfte des Stirnflächendurchmessers gewählt ist.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Vorsprünge (12) so gebildet werden, dass sich die Fußteile (15) in membranförmige Kopfteile (16) erweitern, deren Dicke geringer als die Dicke der Fußteile (15) ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die membranförmigen Kopfteile (16) mit einer Länge und Breite, die im Bereich von 20 nm bis 1000 nm gewählt sind, und mit einer Dicke gebildet werden, die im Bereich von 5 nm bis 100 nm gewählt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die membranförmigen Kopfteile (16) mit einem Elastizitätsmodul gebildet werden, das geringer als der Elastizitätsmodul der Fußteile (15) und im Bereich von 10 MPa bis 2 GPa gewählt ist.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die membranförmigen Kopfteile (16) durch eine thermische Verformung der freien Enden der Vorsprünge (12) hergestellt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die thermische Verformung der Kopfteile ein Kontaktieren der freien Enden der Vorsprünge (12) mit einer erwärmten Oberfläche und ein Ziehen ü- ber die erwärmte Oberfläche umfasst.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) mit einer Länge (a) und einer Dicke (b) gebildet werden, so dass sich ein Aspektverhältnis (a/b) von mindestens 5:1 ergibt.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stirnflächen (13) einer Oberflachenmodifizierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche unterzogen werden, so dass auf jeder Stirnfläche (13) jeweils eine Vielzahl von Feinstruktur-VorSprüngen (40) jeweils mit Feinstruktur- Stirnflächen (41) gebildet sind.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Feinstruktur- Stirnflächen (41) jeweils einer Oberflachenmodifizierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche unterzogen werden, so dass jeweils Substruktur-Vorsprünge (50) gebildet werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Substruktur- Vorsprünge mit einer Dicke im Bereich von 5 nm bis 200 nm gebildet werden, wobei die Feinstruktur-Vorsprünge (40) mit einer Dicke gebildet werden, die gleich dem 10-fachen bis 100- fachen Wert der Dicke der Substruktur-Vorsprünge (50) ist, und die Vorsprünge (12) mit einer Dicke gebildet werden, die gleich dem 10-fachen bis 100-fachen Wert der Dicke der Feinstruktur-Vorsprünge (40) ist.
20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Substruktur- Vorsprünge (50) jeweils mindestens einer weiteren Oberflächen- modifizierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche unterzogen werden.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Feinstruktur- oder Substruktur-Vorsprünge (40, 50) mit einem elektrostatischen Beflockungsverfahren hergestellt werden.
22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktfläche (14) mit einem Elastizitätsgradienten hergestellt wird.
23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) , deren Kopfteile (16) die Kontaktfläche (14) bilden, verschiedenartige Vorsprünge (12) umfassen, die eine Verteilung von verschiedenen Formen, Materialien, Elastizitätseigenschaften und/oder Größen der Vorsprünge darstellen.
24. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strukturierung die Bildung der Vorsprünge auf einem schichtförmigen Träger (17) umfasst, der auf der Oberfläche des Objektes (10) fixiert wird.
25. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Adhäsion der Vorsprünge (12) und/oder der Stirnflächen (13) durch chemische Modifizierung oder Aufbringung eines Klebstoffs erhöht wird.
26. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorsprünge (12) aus einem Polymer, Metall, oder einer Legierung gebildet werden.
27. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Objekten, von denen mindestens ein Objekt in mindestens einem Teil seiner Oberfläche mit einem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche modifiziert worden ist, wobei die beiden Objekte so in Kontakt gebracht werden, das die Kontaktfläche des modifizierten Objektes das andere Objekt berührt .
28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem mindestens eines der Objekte in mindestens zwei Teilen seiner Oberfläche oder mindestens zwei Teil-Objekte jeweils in einem Teil ihrer Oberfläche so modifiziert sind, dass die Vorsprünge (12) jeweils mit entgegengesetzter Ausrichtung relativ zur Kontaktfläche geneigt sind.
29. Strukturierte Oberfläche eines Festkörpers mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit, wobei die Oberfläche (11) eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) umfasst, die jeweils mit einem Fußteil und einem Kopfteil aufweisen, wobei der Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (12) elastisch und relativ zur Oberfläche geneigt sind und aus ein Material aufweisen, dessen Elastizitätsmodul sich in wenigstens einer der Bezugsrichtungen verringert, die eine Längsrichtung jedes Vorsprungs (12) vom Fußteil (15) zum Kopfteil und eine Querrichtung jedes Vorsprungs axial von der Mitte des Fußteils (15) nach außen umfassen.
30. Strukturierte Oberfläche eines Festkörpers mit erhöhter Adhäsionsfähigkeit, wobei die Oberfläche (11) eine Strukturierung aufweist, die eine Vielzahl von Vorsprüngen (12) umfasst, die jeweils mit einem Fußteil und einem Kopfteil aufweisen, wobei der Kopfteil eine von der Oberfläche wegweisende Stirnfläche (13) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (12) mit einer Flächendichte (N) , einem Elastizitätsmodul (E) , einer Länge (a) und einer Dicke (b) elastisch und relativ zur Oberfläche geneigt angeordnet sind und ein Material umfassen, dessen effektives elastisches Modul (E*) mit E* = E ' N b2 * (b/a)2 einen Wert im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa besitzt.
31. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 29, bei der die Vorsprünge (12) ein Material umfassen, dessen Elastizitätsmodul sich von einem oberen Elastizitätswert zu einem unteren Elastizitätswert verringert, wobei der obere Elastizitätswert im Bereich von 10 MPa bis 10 GPa und der untere Elastizitätswert im Bereich von 20 kPa bis 10 MPa enthalten ist.
32. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 31, bei der die Fußteile (15) einen Winkel von 89° bis 45° relativ zur Oberfläche aufweisen.
33. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 32, bei der die Fußteile (15) einen Winkel von 80° bis 60° relativ zur Oberfläche aufweisen.
34. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 33, bei der die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) kleiner als 10 μm sind.
35. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 34, bei der die gegenseitigen Abstände benachbarter Stirnflächen (13) kleiner als 5 μm ist.
36. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 35, bei der die Stirnflächen (13) eine charakteristische Querschnittsdimension besitzen, die kleiner als 20 μm und größer als 20 nm ist.
37. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 36, bei der die Stirnflächen (13) wenigstens eine der gewölbten Stirnflächenformen aufweisen, die eine Halbkugelform, eine Zylinderform, eine Torusform oder eine Napfform umfassen.
38. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 37, bei der die Stirnflächenform einen vorbestimmten Stirnflächendurchmesser und einen Krümmungsradius aufweisen, der im Bereich von 5 mm bis zur Hälfte des Stirnflächendurchmessers gewählt ist.
39. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 35, bei der sich die Fußteile (15) der Vorsprünge (12) in membranförmige Kopfteile (16) erweitern, deren Dicke geringer als die Dicke der Fußteile (15) ist.
40. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 39, bei der die membranförmigen Kopfteile (16) eine Länge und Breite, die im Bereich von 20 nm bis 1000 nm gewählt sind, und eine Dicke aufweisen, die im Bereich von 5 nm bis 100 nm gewählt ist.
41. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 39, bei der die membranförmigen Kopfteile (16) ein Elastizitätsmodul aufweisen, das geringer als der Elastizitätsmodul der Fußteile (15) und im Bereich von 10 MPa bis 2 GPa gewählt ist.
42. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 41, bei der die VorSprünge (12) eine Länge (a) und die Stirnflächen (13) die charakteristischen Querschnittsdimension (b) derart aufweisen, dass sich ein Aspektverhältnis (a/b) von mindestens 5:1 ergibt.
43. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 42, bei der die Stirnflächen (13) jeweils eine Vielzahl von Feinstruktur-Vorsprüngen (40) aufweisen jeweils Feinstruktur-Stirnflächen (41) aufweisen.
44. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 43, bei der die Feinstruktur-Stirnflächen (41) jeweils Substruktur-Vorsprünge (50) aufweisen.
45. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 43, bei der die Substruktur-Vorsprünge eine Dicke im Bereich von 5 nm bis 200 nm aufweisen, wobei die Feinstruktur-Vorsprünge (40) eine Dicke aufweisen, die gleich dem 10-fachen bis 100-fachen Wert der Dicke der Substruktur-Vorsprünge (50) ist, und die Vorsprünge (12) eine Dicke aufweisen, die gleich dem 10-fachen bis 100-fachen Wert der Dicke der Feinstruktur-Vorsprünge (40) ist.
46. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 45, bei der die Kontaktfläche (14) einen Elastizitätsgradienten aufweist.
47. Strukturierte Oberfläche nach Anspruch 46, bei der die Vorsprünge (12), deren Kopfteile (16) die Kontaktfläche (14) bilden, verschiedenartige Vorsprünge (12) umfassen, die eine Verteilung von verschiedenen Formen, Materialien, Elastizitätseigenschaften und/oder Größen der Vorsprünge darstellen.
48. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 47, die einen schichtförmigen Träger (17) umfasst, der auf der Oberfläche des Objektes (10) fixiert ist.
49. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 48, bei der die Vorsprünge (12) ein Polymer, Metall, Legierung, Halbleiter oder eine Keramik umfassen.
50. Strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 49, bei der auf den Vorsprüngen (12) und/oder den Stirnflächen (13) eine chemische Modifizierung oder ein Klebstoff vorgesehen ist.
51. Festkörper, dessen Oberfläche zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 49 ist.
52. Verbund aus zwei Festkörpern entlang einer Verbindungsfläche, von denen mindestens einer eine Oberfläche aufweist, die im Bereich der Verbindungsfläche zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 49 ist.
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