ES2369486T3 - Superficie estructurada con adhesividad conmutable. - Google Patents
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Abstract
Superficie estructurada (11) de un sólido (10) que comprende: - una pluralidad de salientes (12) que constituyen un área de contacto (14) con una adhesividad respecto a un entorno adyacente y - una capa de soporte (13) sobre la que están dispuestos los salientes (12), - pudiéndose variar selectivamente las propiedades de los salientes (12) y/o de la capa de soporte (13) de tal manera que se pueda ajustar la adhesividad del área de contacto (14), caracterizada porque - la adhesividad se genera mediante fuerzas de interacción moleculares ejercidas por el área de contacto sobre el entorno adyacente y - la adhesividad del área de contacto (14) se puede conmutar mediante una variación dirigida de al menos una de las propiedades químicas que comprenden una estructura molecular, una estructura polimérica, una composición química y una adsorción superficial del material de los salientes (12), y/o de al menos una de las propiedades físicas que comprenden un ángulo de inclinación de los salientes (12), una distribución de los ángulos de inclinación de los salientes (12), una distancia entre las partes superiores de los salientes (12), un módulo de elasticidad de los salientes (12), una dependencia direccional de un módulo de elasticidad de los salientes (12) y un grado de contracción de la capa de soporte (13).
Description
Superficie estructurada con adhesividad
conmutable.
La invención se refiere a una superficie
estructurada de un sólido que presenta una pluralidad de salientes
que forman un área de contacto con una adhesividad predeterminada.
La invención se refiere asimismo a una pieza mecánica dotada de una
superficie estructurada de este tipo y a procedimientos para la
modificación de la superficie estruc-
turada.
turada.
Es sabido que diversos animales, como, por
ejemplo, los insectos o las lagartijas, poseen la capacidad de
sostenerse o moverse sobre superficies orientadas en cualquier
dirección. Esta capacidad se debe a una fina estructura en los pies
de los animales. La fina estructura genera entre las plantas de las
patas y una superficie adyacente unas fuerzas de adherencia
relativamente grandes, que pueden superar el peso del animal.
De forma similar a la generación de fuerzas de
adherencia en la naturaleza, es conocida la estructuración de
superficies de sólidos para aumentar su adhesividad. En la patente
WO 03/099951 A2 se describe un procedimiento para la modificación
superficial de un objeto, en el que se forman sobre la superficie
del objeto una pluralidad de salientes cuyas áreas frontales libres
forman un área de contacto. El área de contacto se caracteriza por
una mayor adhesividad en comparación con la superficie no
estructurada.
Para la aplicación en la práctica de las
superficies estructuradas con una mayor adhesividad, resulta
interesante variar la adhesividad en función de los requisitos
específicos de una aplicación concreta. Por ejemplo, se puede
utilizar una herramienta con un elemento adherente para recoger
primero una pieza de trabajo de una primera posición, mover después
la pieza de trabajo a una segunda posición y soltar finalmente la
pieza de trabajo en la segunda posición. La superación de las
fuerzas de adherencia de la superficie estructurada requería hasta
ahora ejercer fuerzas mecánicas adicionales, por ejemplo sobre el
elemento adherente o la pieza de trabajo, bajo cuyo efecto se
levanta la superficie estructurada del objeto adyacente. El ejercer
las fuerzas de separación adicionales constituye, sin embargo, un
esfuerzo adicional generalmente no deseado. Además, las fuerzas de
separación pueden influir negativamente en las superficies
estructuradas o en el objeto adyacente, por ejemplo dañarlos.
En la patente EP 1422439 A1 se describe un
sistema velcro con una combinación de elementos de ganchos y ojales,
en el que los elementos de gancho están formados por un elastómero
magnetorreológico que experimenta un cambio en la orientación de la
forma y/o en la flexibilidad en función de un campo magnético
externo.
La presente invención se propone el objetivo de
proporcionar una superficie estructurada mejorada con la que se
superen los inconvenientes de las superficies estructuradas
convencionales. La invención se propone igualmente el objetivo de
proporcionar una pieza mecánica dotada de una superficie
estructurada mejorada de esta manera y proponer un procedimiento
mejorado para la modificación superficial.
Estos objetivos se alcanzan mediante una
superficie estructurada, una pieza mecánica y un procedimiento con
las características de las reivindicaciones independientes. De las
reivindicaciones dependientes se desprenden modos de realización y
aplicaciones ventajosas de la invención.
Con respecto al dispositivo, el objetivo se
alcanza, de acuerdo con un primer aspecto de la invención, mediante
la enseñanza técnica general según la cual se proporciona una
superficie estructurada que comprende una capa de soporte y una
pluralidad de salientes, y cuyas propiedades se pueden variar
selectivamente de manera que para un área de contacto formada por
los salientes se pueda ajustar una adhesividad predeterminada en
relación con un entorno adyacente. De acuerdo con la invención, los
salientes de la superficie estructurada se componen de un material
variable. Mediante una variación del material en sí y/o de su forma
exterior ventajosamente se puede ajustar directamente la adhesividad
del área de contacto. La invención también comprende variantes en
las que los salientes y la capa de soporte, o exclusivamente la capa
de soporte, están formados por el material variable. El ajuste de la
adhesividad por medio de una modificación de la capa de soporte
puede resultar ventajoso para determinadas aplicaciones de la
superficie estructurada, condiciones ambientales o materiales
utilizados.
Las propiedades variables (propiedades del
material, propiedades de la materia prima) del material utilizado de
acuerdo con la invención comprenden propiedades físicas (incluidas
las geométricas) y/o químicas del material en sí y/o de su forma
exterior. Las propiedades se pueden variar selectivamente, es decir,
variar de forma dirigida mediante una acción física y/o química. Al
variar una propiedad de los salientes y/o de la capa de soporte,
éstos pasan (conmutan) de un primer estado definido física y/o
químicamente a un segundo estado modificado. La variabilidad de las
propiedades también se denomina conmutabilidad.
El área de contacto, que está constituida por
los extremos libres de los salientes de la superficie estructurada
de acuerdo con la invención y está interrumpida de modo
correspondiente por las distancias entre los extremos libres,
presenta una adhesividad que se puede ajustar mediante la
conmutación selectiva de las propiedades de los salientes y/o de la
capa de soporte. El término "adhesividad" designa la intensidad
de las fuerzas de interacción moleculares que puede generar el área
de contacto respecto a un entorno adyacente, especialmente un sólido
adyacente o un líquido adyacente. Mediante la adhesividad
(adherencia) se determinan las fuerzas opuestas a las fuerzas
mecánicas que se ejercen para el movimiento relativo del área de
contacto y un objeto adyacente. La adherencia comprende fuerzas
opuestas con componentes perpendiculares y/o paralelos a la
superficie del área de contacto. De una manera correspondiente, el
término adhesividad comprende, en el marco de la presente
descripción, tanto la capacidad de adhesión como la capacidad para
generar una fuerza de fricción.
La superficie estructurada de acuerdo con la
invención presenta la ventaja de que mediante la conmutación de la
propiedad del material de los salientes y/o de la capa de soporte se
puede conmutar la adhesividad del área de contacto de un estado de
alta adherencia a un estado de baja adherencia (o viceversa). De
modo correspondiente, la adhesividad del área de contacto se puede
modificar en función de un requisito concreto, por ejemplo para
coger una pieza de trabajo o depositar una pieza de trabajo, sin que
se tengan que ejercer fuerzas de separación mecánicas externas sobre
la superficie estructurada o la pieza de trabajo. El campo de
aplicación de las superficies estructuradas se amplía así
considerablemente, simplificándose notablemente las aplicaciones
actuales de las superficies estructuradas puesto que se puede
prescindir de las medidas necesarias para ejercer fuerzas de
separación.
Según otro aspecto, la invención se basa en la
enseñanza técnica general de proporcionar una pieza mecánica con
adhesividad ajustable que presente la superficie estructurada de
acuerdo con la invención conforme al primer aspecto. Ventajosamente,
la capa de soporte de la superficie estructurada puede formar parte
de la pieza mecánica, es decir, los salientes de la superficie
estructurada pueden estar constituidos directamente del material de
un cuerpo base de la pieza mecánica. De manera alternativa, la
superficie estructurada puede estar dispuesta en capas sobre un
cuerpo base de la pieza mecánica. Ventajosamente se puede equipar
así con posterioridad un objeto existente con la superficie
estructurada para dotar el objeto de una adhesividad ajustable.
Según otro aspecto, la invención se basa en la
enseñanza técnica general de modificar una superficie estructurada
mediante una variación selectiva de las propiedades de los salientes
y/o de una capa de soporte de la superficie para ajustar una
adhesividad predeterminada en un área de contacto constituida por
los salientes. Mediante una acción externa predeterminada se varían
propiedades físicas (incluidas las geométricas) y/o químicas de los
salientes y/o de la capa de soporte. A diferencia de las superficies
estructuradas convencionales, en las que la adherencia o
desadherencia es provocada por una fuerza mecánica externa que actúa
sobre el objeto adherido o la pieza mecánica con la superficie
estructurada, en el procedimiento de acuerdo con la invención se
influye directamente en la superficie estructurada como tal.
La superficie estructurada de acuerdo con la
invención presenta una pluralidad de salientes que constituyen el
área de contacto de la superficie. El término "saliente"
designa estructuras alargadas, por ejemplo en forma de varillas o
filamentos, que se encuentran en posición vertical sobre la capa de
soporte. Dependiendo del procedimiento para la preparación de la
superficie estructurada, la capa de soporte y los salientes pueden
estar fabricados de un material común o de materiales diferentes.
Los salientes forman una topografía micro- o nanoestructurada, es
decir, los salientes presentan típicamente una longitud axial
comprendida en el intervalo de 10 nm a varios mm, por ejemplo 5 mm,
y una dimensión radial comprendida en el intervalo de unos pocos nm,
por ejemplo 2 nm, a 1 mm. Los salientes forman una disposición en
fibras cuya adhesividad se puede ajustar de un estado adhesivo a un
estado no adhesivo (o viceversa) mediante una acción externa que
provoca un cambio, especialmente en las propiedades geométricas,
mecánicas o químicas de la disposición en fibras.
De acuerdo con la invención, todos los salientes
pueden presentar la misma forma y tamaño. De manera alternativa, los
salientes pueden presentar una distribución jerárquica del tamaño,
por ejemplo como se describe en la patente WO 03/099951 A2,
gradientes de propiedades y/o anisotropías de las propiedades. Un
gradiente de propiedades comprende, por ejemplo, un gradiente en el
módulo de Young, con el que los salientes presentan en las partes
adyacentes a la capa de soporte una mayor dureza que en sus partes
superiores. Una anisotropía de propiedades se da, por ejemplo,
cuando los salientes presentan diferentes módulos de Young en las
direcciones longitudinal y transversal.
Los inventores han constatado que para el ajuste
de la adhesividad son apropiadas ventajosamente muchas propiedades
diferentes de la materia prima y se encuentran disponibles
materiales correspondientes que se pueden variar selectivamente. Un
primer grupo de propiedades que se pueden variar selectivamente
comprende las propiedades físicas, en particular las propiedades
mecánicas y/o geométricas de los salientes y/o de la capa de
soporte.
Los salientes comprenden preferentemente
materiales cuyo ángulo de inclinación con respecto a la capa de
soporte se pueda variar. El ángulo de inclinación constituye
ventajosamente una magnitud geométrica simple de los salientes con
la que se puede variar directamente la adhesividad. Se puede prever,
por ejemplo, que todos los salientes presenten el mismo ángulo de
inclinación que se pueda variar entre un primer valor (estado de una
adhesividad mayor) y un segundo valor (estado de una adhesividad
menor en relación con el primer estado). De modo alternativo, se
puede prever que los salientes presenten únicamente el mismo ángulo
de inclinación en el estado de mayor adhesividad pero diferentes
ángulos de inclinación en el estado de menor adhesividad. En este
caso, la adhesividad de la superficie estructurada se ajusta
mediante una variación de la distribución de los ángulos de
inclinación de los salientes. Esta variante de la invención presenta
ventajas especiales para un ajuste gradual de la adhesividad en
función del ancho de la distribución de los ángulos de inclinación.
La variación de la distribución de los ángulos de inclinación puede
desembocar en un estado completamente desordenado de los salientes
(el denominado colapso de la superficie estructurada).
Preferentemente se prevé un colapso reversible de la superficie
estructurada.
El ajuste de la adhesividad en función del
ángulo de inclinación se puede elegir en cada caso de aplicación
concreto, por ejemplo mediante ensayos. La adhesividad típicamente
aumenta a medida que disminuye el ángulo de inclinación. De modo
alternativo, se puede ajustar una adhesividad menor reduciendo el
ángulo de inclinación, por ejemplo cuando los salientes con un
ángulo de inclinación menor son especialmente blandos.
Asimismo puede estar prevista ventajosamente una
variación de las distancias entre los salientes, en especial entre
sus partes superiores, que constituyen directamente el área de
contacto. Para esta variante de la invención se pueden utilizar, por
ejemplo, materiales contraíbles o expandibles disponibles para la
formación de los salientes y/o de la capa de soporte. La utilización
de una capa de soporte contraíble o expandible posee la ventaja de
que mediante una acción externa relativamente ligera, como, por
ejemplo, un cambio de temperatura o un cambio de la humedad
relativa, se puede lograr una fuerte variación de las distancias de
los salientes. La adhesividad del área de contacto se puede ajustar
con una sensibilidad especialmente elevada. Si se prevé un ajuste
del módulo de elasticidad de los salientes y/o de su dependencia
direccional, la adhesividad del área de contacto se puede variar
ventajosamente sin que varíen sus propiedades ópticas, como, por
ejemplo, la imagen visual.
En otras variantes ventajosas de la invención,
puede estar prevista una variación selectiva de las propiedades
químicas de los salientes y/o de la capa de soporte. Los inventores
han constatado que se encuentran disponibles materiales orgánicos
(en especial materiales poliméricos), materiales compuestos o
metales en los que, mediante una acción externa, se pueden variar
selectivamente la estructura molecular, la estructura del sólido
(especialmente la estructura polimérica) y/o la composición química
de tal manera que varíe la capacidad de los salientes para efectuar
interacciones moleculares respecto a objetos directamente
adyacentes, en particular la adsorción superficial.
Otra ventaja importante de la invención reside
en que se dispone de numerosas acciones externas diferentes que se
pueden utilizar para la modificación de la superficie estructurada y
para el ajuste de la adhesividad. Una acción externa puede
comprender, por ejemplo, un cambio de temperatura por calentamiento
o enfriamiento. Un calentamiento se puede lograr ventajosamente
mediante un dispositivo calentador que actúa desde fuera, por
ejemplo mediante radiación térmica, o desde dentro, por ejemplo
mediante calefacción por inducción. De manera alternativa o
adicional se pueden utilizar como acción externa campos magnéticos
y/o eléctricos estáticos o dinámicos o radiación electromagnética.
Esta variante presenta ventajas especialmente en las aplicaciones de
la invención en las que la superficie estructurada, una pieza
mecánica equipada con ésta o un objeto adyacente a ésta es sensible
a la temperatura. Además, los campos magnéticos y/o eléctricos se
pueden utilizar de modo especialmente ventajosa para un ajuste
reversible de la adhesividad. Finalmente, la acción externa puede
comprender una solicitación de la superficie estructurada con al
menos una sustancia química. En este caso se puede evitar
ventajosamente un desajuste involuntario de la adhesividad, por
ejemplo por campos perturbadores.
Los salientes y/o la capa de soporte de la
superficie estructurada presentan un módulo de elasticidad
preferentemente inferior a 10 GPa. La ventaja de ello reside, en
especial, en la fácil adaptación de la superficie estructurada a
superficies lisas o rugosas de un objeto adyacente adherido al área
de contacto. Así, el área de contacto ventajosamente se puede
formar, en el estado adherido, a la medida de la superficie del
objeto adyacente. Un módulo de elasticidad suficientemente bajo lo
presentan, por ejemplo, los materiales poliméricos orgánicos. De
manera alternativa, los salientes y/o la capa de soporte pueden
estar constituidos por un metal. Se pueden usar especialmente
metales (los denominados metales con memoria de forma, por ejemplo
níquel-titanio, véase Y. Zhang y col., en "Appl.
Phys. Lett." vol. 89, 2006, pág. 041912).
Si los salientes presentan un gradiente de
dureza, el módulo de elasticidad asciende, adyacente a la capa de
soporte, a, por ejemplo, 10 GPa y en las partes superiores a, por
ejemplo, 1 GPa. Si los salientes presentan módulos de Young
anisotrópicos, el módulo de Young asciende en dirección longitudinal
de los salientes a, por ejemplo, 1 GPa y en dirección transversal a,
por ejemplo, 10 MPa.
Según otra alternativa, los salientes de la
superficie estructurada de acuerdo con la invención pueden estar
formados por un material con un módulo de elasticidad mayor, por
ejemplo una cerámica o un material semiconductor, si la superficie
estructurada está prevista para la adherencia a objetos con
superficies lisas y/o si la capa de soporte está formada con un
módulo de elasticidad inferior a 10 GPa. En este último caso,
ventajosamente también se puede lograr una adherencia a superficies
lisas o rugosas cuando los salientes están formados por un material
más rígido.
Si de acuerdo con un modo de realización
especialmente preferido de la invención los salientes y/o la capa de
soporte están formados por un material polimérico, pueden resultar
ventajas adicionales de los múltiples polímeros disponibles y de su
capacidad para adaptarse a requisitos concretos de una aplicación de
la superficie estructurada. En particular, se puede utilizar un
material polimérico uniforme (homogéneo), una composición polimérica
de diferentes polímeros o un polímero compuesto de al menos un
polímero y una sustancia extraña, como, por ejemplo, partículas
metálicas. Los polímeros compuestos presentan la ventaja adicional
de que las composiciones adecuadas de los polímeros disponibles
adecuados para la preparación de superficies estructuradas (para el
procedimiento véase, por ejemplo, la patente WO 03/099961 A2) se
pueden dotar de aditivos metálicos o magnéticos para lograr la
ajustabilidad de acuerdo con la invención de la adhesividad.
Como materiales poliméricos han resultado
especialmente ventajosos los polímeros con memoria de forma, los
polímeros de cristal líquido, los compuestos con partículas
metálicas no magnéticas o magnéticas, los polímeros sensibles a
radiación y los polímeros sensibles a líquido. Los materiales
poliméricos están constituidos, por ejemplo, por elastómeros o
copolímeros de bloques. Los polímeros con memoria de forma son
polímeros que muestran el efecto de memoria de forma (véanse, por
ejemplo, A. Lendlein y col. en "Angewandte Chemie - International
Edition", volumen 41, 2002, pág. 2034-2057, R.
Mohr y col., en "PNAS", volumen 103, 2006, pág.
3540-3545). Los polímeros de cristal líquido (véase,
por ejemplo, K. Hiraoka y col., en "Macromolecules" volumen 38,
2005, pág. 7352-7357) se pueden utilizar
ventajosamente para ajustar la adhesividad bajo la acción de campos
eléctricos. Los polímeros sensibles a radiación comprenden, en
particular, polímeros sensibles a la luz que varían su forma o
estructura cuando son irradiados con luz (IR, VIS o UV) (véase A.
Lendlein y col. en "Nature", volumen 434, 2005, pág.
879-882). Los materiales poliméricos utilizados de
acuerdo con la invención pueden pertenecer a varios de los grupos
mencionados.
Si las propiedades de los salientes y/o de la
capa de soporte son, de acuerdo con un modo de realización preferido
de la invención, reversibles y variables repetidas veces, la
adhesividad de la superficie estructurada ventajosamente puede
conmutar repetidas veces entre un estado de mayor adherencia y un
estado de menor adherencia. En este caso resultan ventajas
especiales para la aplicación de la superficie estructurada en
procesos dinámicos en los que la adhesividad se debe adaptar en cada
caso a los requisitos concretos de un procedimiento.
Alternativamente, se puede prever un ajuste único irreversible de la
adhesividad. Una única variación de los salientes y/o de la capa de
soporte significa que la adhesividad de la superficie estructurada
se ajusta posteriormente después de su preparación, con preferencia
inmediatamente antes de la aplicación.
Otra ventaja de la invención reside en que los
salientes pueden presentar en su extremos libres (partes superiores)
una o varias formas, que pueden ser diferentes dependiendo de la
aplicación concreta de la superficie estructurada. Se pueden prever,
por ejemplo, áreas frontales con una forma llana, esférica,
abovedada o aplanada, o estructuras huecas o en forma de escudilla,
tales como tubitos, ventosas o formas divididas en
subestructuras.
Las aplicaciones preferidas de la invención se
encuentran en la técnica del transporte, especialmente en la técnica
de herramientas y la robótica, en la construcción, en la técnica
textil, especialmente en la producción de cierres textiles, en la
técnica médica, especialmente para aparatos médicos o material
médico como, por ejemplo, material de vendaje, para artículos de
deporte, como, por ejemplo, aparatos de deporte o zapatillas de
deporte, o en la técnica doméstica, como, por ejemplo, en
muebles.
A continuación se describen otros detalles y
ventajas de la invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos.
Muestran:
la fig. 1 una primera variante de las
superficies estructuradas de acuerdo con la invención, con una
ilustración del ajuste de la adhesividad;
la fig. 2 vistas en sección esquemáticas de
salientes de una superficie estructurada de acuerdo con la
invención;
las figs. 3 a 7 otras variantes de las
superficies estructuradas de acuerdo con la invención, con una
ilustración del ajuste de la adhesividad; y
la fig. 8 una ilustración esquemática de una
aplicación de la invención en la técnica del transporte.
A continuación se explican diferentes principios
de acción del ajuste de acuerdo con la invención de la adhesividad,
haciendo referencia a título de ejemplo a las figuras 1 a 7. Cabe
señalar que las figuras sirven únicamente para la ilustración
esquemática de la invención. La realización de la invención no está
limitada a las formas geométricas y relaciones de tamaño mostradas
de las superficies estructuradas representadas en detalles
ampliados, sino que se puede realizar de forma correspondiente con
relaciones geométricas modificadas (véase, por ejemplo, la
descripción de la figura 2, véase también la patente WO 03/099951
A1). En las figuras se muestra en cada caso la superficie
estructurada con la capa de soporte y los salientes. En la
realización práctica (véase, por ejemplo, la figura 8) la superficie
estructurada está dispuesta sobre un cuerpo base o está prevista
como componente de éste. El cuerpo base puede presentar una forma
superficial curvada o llana. De manera correspondiente, la
superficie estructurada de acuerdo con la invención puede estar
curvada o ser llana. Por motivos de claridad no se representa el
cuerpo base en las figuras 2 a 6.
En la descripción siguiente se explican primero
ejemplos de realización del cambio selectivo, permanente o temporal,
de la superficie estructurada de acuerdo con la invención. A
continuación se describen a título de ejemplo los materiales y
procedimientos para la preparación de la superficie estructurada de
acuerdo con la invención. Cabe señalar que, dependiendo de las
condiciones concretas de la aplicación de la superficie
estructurada, los distintos materiales se pueden utilizar para la
realización de los diferentes principios de acción para ajustar
selectivamente la adhesividad. Los principios de acción descritos se
pueden utilizar para ajustar una adhesividad uniforme o formar un
gradiente de adhesividad sobre una superficie.
La figura 1A muestra un primer modo de
realización de la superficie estructurada 11 de acuerdo con la
invención de un cuerpo base 10, que presenta una pluralidad de
salientes 12 sobre una capa de soporte 13. Los salientes 12 forman
una disposición regular con distancias comprendidas, por ejemplo, en
el intervalo de 10 nm a 1 mm. Por la totalidad de los extremos
libres (partes superiores) de los salientes 12 se extiende un área
de contacto 14. El área de contacto 14 está configurada para generar
fuerzas de interacción moleculares cuando entra en contacto con una
superficie de un objeto adyacente. Dependiendo de la intensidad de
la totalidad de las fuerzas de interacción moleculares, se puede
formar una unión adherente con el objeto adyacente. La unión
adherente se forma sin anclaje a la superficie del objeto ni
engranaje de los salientes, sino que es mediada por fuerzas de van
der Waals, reforzadas, dado el caso, por fuerzas capilares y/o de
succión (véase la figura 2). Pueden contribuir adicionalmente
fuerzas electrostáticas o fuerzas capilares. La figura 2 muestra a
modo de ejemplo diferentes variantes de los salientes 12 con partes
superiores 12.1 que presentan, por ejemplo, una estructura llana (en
particular plana, en forma de espátula, en forma de T o en forma de
L), abovedada (en particular esférica), hueca o dividida.
Los salientes 12 de la superficie estructurada
11 de acuerdo con la invención se preparan preferentemente según uno
de los procedimientos siguientes: micro- o nanolitografía de la capa
de soporte, microimpresión, crecimiento de los salientes por
organización propia, especialmente de copolímeros de bloque,
microelectroerosión por chispas (en el caso de materiales
metálicos), micromecanizado por descarga eléctrica, tratamiento
superficial mediante haz iónico enfocado, conformación plástica, por
ejemplo estampación en caliente o moldeo por inyección y/o el
denominado prototipado rápido utilizando rayos láser (con materiales
en polvo o poliméricos). Puesto que estos procedimientos son
conocidos en sí, no se describirán aquí detalles de la técnica de
procedimientos. Para la preparación de los salientes 12 de material
polimérico se utilizan para los procedimientos mencionados polvos
poliméricos, aglomerados poliméricos o materiales precursores
poliméricos que, dado el caso, contienen un agentes reticulante y/o
un agente de refuerzo. El agente reticulante sirve para que se
produzca una reticulación bajo la acción de sustancias químicas o
bajo la acción de radiación, de manera que se puede mejorar la
estabilidad mecánica de los salientes.
Las fuerzas de interacción moleculares que son
generadas por el área de contacto 14 se pueden ajustar en función
del ángulo de inclinación \alpha entre una dirección longitudinal
de los salientes 12 y la capa de soporte 13. Por ejemplo, con los
salientes poliméricos (material: PDMS, diámetro: 10 \mum,
longitud: 50 \mum) se obtiene con un ángulo de inclinación pequeño
\alpha_{1} = 30º (figura 1A) un estado de adhesividad mayor y
con un ángulo de inclinación \alpha_{2} = 45º (figura 1B), un
estado modificado en comparación con el primer estado con una
adhesividad menor. El ajuste de la adhesividad según la figura 1 se
puede llevar a cabo alternativamente de manera que con el ángulo de
inclinación más pequeño se dé una adhesividad menor y con el ángulo
de inclinación mayor, una adhesividad mayor, o viceversa. La
conmutación entre los estados adherido y no adherido se efectúa
mediante una acción externa, que se simboliza mediante la flecha
doble y comprende, por ejemplo, un aumento de temperatura, campos
eléctricos, campos magnéticos, radiación electromagnética, en
particular luz, una influencia mecánica (por ejemplo, una tensión
previa aplicada con un rodillo) o la acción de sustancias químicas
(véanse las figuras 5, 6).
De forma alternativa, con la acción externa se
puede ajustar la adhesividad según las figuras 3A a 3C o 3D y 3E
mediante un cambio selectivo de un estado ordenado de los salientes
12. El estado ordenado de los salientes 12 se puede caracterizar por
el ancho de la distribución de los ángulos de inclinación en
relación con la capa de soporte 13. Sólo en un estado en el que los
salientes 13 constituyen una disposición con un patrón ordenado (por
ejemplo, un patrón matricial) y apuntan todos en la misma dirección
se da un estado de adhesividad mayor.
Según la figura 3A, todos los salientes 12
presentan el mismo ángulo de inclinación, es decir, el ancho de la
distribución de los ángulos de inclinación es extremadamente
estrecho. Mediante una acción física y/o química selectiva se pueden
variar los ángulos de inclinación de algunos (figura 3C) o todos
(figura 3B) los salientes 12. A medida que aumenta el número de
salientes que se desvían de la orientación homogénea según la figura
3A, disminuyen las fuerzas de interacción moleculares que son
ejercidas por la totalidad de los salientes 12. Por consiguiente, la
superficie estructurada 11 se puede conmutar, mediante una acción
externa, del estado de mayor adhesividad (figura 3A) a un estado de
menor adhesividad (figura 3B) pasando, dado el caso, por un estado
intermedio (Figura 3C).
Según las figuras 3D y 3E, el estado ordenado de
los salientes 12 se puede ajustar ventajosamente con polímeros
compuestos con partículas magnéticas. Las partículas magnéticas 12.2
están dispuestas dentro o sobre las partes superiores 12.1 de los
salientes 12. Mediante el campo de un imán 23 (imán permanente o
electroimán conmutable) se orientan todos los salientes 12,
ajustándose el estado adherente (figura 3D). Al retirar el imán 23 o
desconectar el electroimán se elimina el campo magnético, de manera
que los salientes se orientan distribuidos al azar y se ajusta el
estado no adherente (figura 3E). El reajuste selectivo de la
adhesividad ventajosamente se puede invertir repetidas veces
(reversible).
Según otra alternativa, se pueden variar
selectivamente las distancias entre las partes superiores 12.1 de
los salientes 12 para ajustar la adhesividad de la superficie
estructurada 11. Por ejemplo, puede estar previsto, según la figura
4A, que se dé una adhesividad reducida con distancias relativamente
grandes entre las partes superiores 12.1 (por ejemplo, en el
intervalo de 100 nm a 1 mm). Mediante una acción externa se puede
aumentar el número de partes superiores 12.1 y, con ello, los
contactos microscópicos por área, de manera que se alcanza primero,
según la figura 4B, un estado de adhesividad mayor. A continuación
se puede inducir, mediante la acción externa adicional, una adhesión
lateral de los salientes 12, reduciéndose la adhesividad de la
superficie estructurada 11 (figura 4C).
Las distancias entre las partes superiores 12.1
y, con ello, la adhesividad del área de contacto 14 se pueden
ajustar, por ejemplo, mediante un calentamiento de la capa de
soporte 13. Con el aumento de temperatura la capa de soporte se
contrae, de manera que las distancias entre las partes superiores
12.1 se reducen. Ventajosamente, esto resulta posible sin que la
capa de soporte se desprenda de un cuerpo base. A una distancia
inferior a la crítica, los salientes 12 se adhieren lateralmente
entre sí (figura 4C), de manera que la adhesividad se reduce o varía
hasta obtener un efecto de repulsión. Una capa de soporte de un
material contraíble se utiliza preferentemente en maneras de
realización de la invención en las que el tamaño de la pieza
mecánica que está dotada de la superficie estructurada de acuerdo
con la invención varía durante la aplicación, por ejemplo mediante
una dilatación o contracción como resultado de un cambio de
temperatura. Mediante la adaptación de la capa de soporte al tamaño
modificado se puede ajustar al mismo tiempo la adhesividad de la
superficie.
Para reducir la adhesividad según la figura 4C,
los salientes se forman preferentemente de un material polimérico
con una fuerte adhesión lateral, en particular de un elastómero
blando, por ejemplo PDMS. Partiendo del estado de adhesividad
reducida se puede alcanzar, mediante un enfriamiento de la
superficie estructurada, una disminución de la adhesión lateral de
los salientes, de manera que los salientes individuales se separan
unos de otros (transición a la disposición según la figura 4B). En
este estado está ajustada una mayor adhesividad del área de contacto
14.
La figura 5 muestra la conmutación
correspondiente entre un estado de mayor adhesividad (figura 5A) y
un estado de menor adhesividad (figura 5B) mediante una solicitación
de la superficie estructurada 11 con una sustancia química 15 en
forma de líquido o gas o vapor, por ejemplo con agua. Por la humedad
del entorno los salientes 12 adsorben agua, de manera que la
adhesividad varía, como se muestra, mediante una deformación de los
salientes o, alternativa o adicionalmente, mediante una conversión
química en el material de los salientes o sobre su superficie.
Cuando actúa la sustancia química 15, el ángulo de inclinación de
los salientes 12 puede, por ejemplo, permanecer constante, pero la
capacidad de adsorción de sus superficies, en cambio, varía.
En la figura 6 se ilustran, de modo análogo a la
figura 1, detalles del ajuste de la adhesividad mediante el ejemplo
de la variación de los ángulos de inclinación de los salientes 12
utilizando salientes de elastómeros de cristal líquido. Los
elastómeros de cristal líquido presentan en una transición de fase
de una fase isotrópica a una nemática o esméctica una extensión o
una contracción a lo largo del mesógeno en zonas de dominios. La
extensión o contracción se produce espontánea y rápidamente durante
la transición de fase, como se muestra en las representaciones
parciales ampliadas esquemáticas de la figura 5. La transición de
fase se puede provocar mediante una acción externa que comprende,
por ejemplo, un cambio de temperatura o un campo eléctrico. Se
prevé, por ejemplo, un cambio de temperatura de unos pocos grados,
por ejemplo +/- 10º alrededor de la temperatura de transición a la
que se produce la transición entre las fases nemática y esméctica o
un isotropización, o la formación de un campo eléctrico con una
intensidad de campo de unos V/\mum, por ejemplo de 10 V/\mum o
10^{7} V/m.
Según otra alternativa, la adhesividad de la
superficie estructurada 11 se puede ajustar con un material
polimérico que esté configurado para la formación de una superficie
estructurada en un campo eléctrico externo. El proceso de la
estructuración inducida eléctricamente es reversible, de manera que
la adhesividad es conmutable entre diferentes estados. Según la
figura 7, la conmutación de la superficie estructurada bajo la
acción de un campo eléctrico se puede combinar con un cambio de
temperatura para conservar las propiedades de los salientes también
después de desconectar el campo eléctrico. Según las figuras 7A y
7B, por ejemplo, se realiza la transición inducida eléctricamente
del estado sin adhesividad (figura 7A) al estado con adhesividad
(figura 7B) a una temperatura superior a la temperatura de
transición vítrea o a la temperatura de fusión del material
polimérico. El campo eléctrico inducido con una fuente de tensión 21
externa presenta, por ejemplo, una intensidad de campo de 10 V/cm.
Al enfriarse la superficie estructurada 11 a por debajo de la
temperatura de transición vítrea o de fusión (figura 7C), el estado
de mayor adhesividad en principio también se puede mantener sin el
campo eléctrico. Por calentamiento de la superficie estructurada 11a
una temperatura superior a la temperatura de transición vítrea o de
fusión se puede ajustar la adhesividad a un valor reducido (figura
7D). El modo de realización de la invención ilustrada en la figura 7
se puede aplicar de manera particularmente ventajosa en la técnica
del transporte, especialmente en la tecnología de los
semiconductores y la microelectrónica.
Para la generación del campo eléctrico para las
los modos de realización de la invención mostrados, por ejemplo, en
las figuras 1, 3 ó 7 la fuente de tensión 21 se conecta con un
electrodo inferior por debajo de los salientes y con un electrodo
superior por encima de los salientes. El electrodo inferior está
constituido preferentemente por un componente electroconductor de la
pieza mecánica que porta la superficie estructurada, por ejemplo por
una capa electroconductora en una pieza mecánica electrónica. El
electrodo superior está formado de preferencia por una parte de una
herramienta adicional, tal como una herramienta de transporte según
la figura 8. La posición del electrodo superior determina la
dirección del campo eléctrico al que se expone la superficie
estructurada. Preferentemente, ambos electrodos son planos y están
dispuestos a una distancia constante, en particular paralela, a la
superficie estructurada.
A continuación se describen materiales que son
adecuados para la formación de las superficies estructuradas de
acuerdo con la invención.
Para ajustar las diferentes adhesividades de la
superficie estructurada e inducir las transiciones entre las
diferentes propiedades de los salientes 12 y/o las capas de soporte
13 se pueden utilizar polímeros con memoria de forma. Los salientes
se exponen, por ejemplo, a una temperatura próxima o superior a la
temperatura de transición vítrea o la temperatura de fusión a una
tensión mecánica sin sobrepasar el límite de elasticidad del
material. El patrón de los salientes, colapsado bajo la tensión
mecánica (por ejemplo, figura 3B), se puede devolver a la
disposición original (por ejemplo, figura 3A) por ejemplo mediante
un calentamiento del material a por encima de la temperatura de
transición vítrea o de fusión. Dependiendo de la asignación del
estado permanente o transitorio a uno de los estados del material
polimérico se pueden utilizar los siguientes materiales para la
preparación de superficies estructuradas conmutables:
De acuerdo con la invención se pueden utilizar
polímeros lineales o ramificados, composiciones poliméricas o
polímeros compuestos (por ejemplo basados en poli(metacrilato
de metilo) (PMMA), poli(cloruro de vinilo) (PVC), poliuretano
(PU), polinorborneno) con una reticulación o refuerzo físico que
permita una deformación elástica. Se prefieren especialmente los
materiales elastoméricos reticulados puesto que permiten una mayor
deformación elástica.
Por ejemplo, un área de contacto adhesiva de
manera regular (figura 3A) se puede deformar mediante fuerzas
mecánicas para obtener el estado colapsado no adhesivo (figura 3B) y
enfriar a una temperatura inferior a la temperatura de transición
vítrea para fijar el estado no adhesivo con la disposición colapsada
de los salientes 12. En el caso de una deformación elástica, la
tensión se libera cuando la temperatura se aumenta a por encima de
la temperatura de transición vítrea, y la disposición colapsada
pasará a la disposición ordenada original. De una manera
correspondiente se puede restablecer, mediante el aumento de
temperatura, la mayor adhesividad en el área de contacto.
De acuerdo con la invención se pueden utilizar
polímeros, composiciones poliméricas o polímeros compuestos que
presentan una capacidad de cristalización parcial, como, por
ejemplo, trans-poliimida (PI), polietileno
reticulado (PE) o elastómeros termoplásticos.
Se forma, por ejemplo, una disposición ordenada
de los salientes 12 con el polímero reticulado según la figura 3A.
Mediante la reticulación se memoriza la forma de los salientes
(estado con adhesividad mayor). Para pasar al estado de menor
adhesividad (figura 3B) se realiza una deformación mecánica
(elástica) a una temperatura superior a la temperatura de fusión de
la proporción reticulada de los salientes 12. Para polímeros tales
como, por ejemplo, trans-PI o PE reticulados, la
deformación se realiza a una temperatura de, por ejemplo, 80ºC. El
estado de menor adhesividad es en este caso el estado transitorio,
que se fija mediante las partes microcristalinas que se forman en el
polímero durante el proceso de enfriamiento. Para ajustar la mayor
adhesividad (figura 3A), la superficie estructurada se calienta a
una temperatura superior a la temperatura de fusión de la proporción
reticulada del polímero. El aumento de temperatura se lleva a cabo
por debajo de un límite superior que supondría el riesgo de colapso
lateral de los salientes.
De acuerdo con la invención se pueden utilizar
copolímeros de bloque lineales, como, por ejemplo,
poliestireno-poli(1-buteno)
(PS-PB) o PU, con componentes rígidos y blandos, o
poli(tereftalato de etileno)-poli(óxido de
etileno) (PET-PEO), para la formación de los
salientes 12. El estado permanente (por ejemplo, figura 3A) es
memorizado por el estado vítreo de uno de los componentes (por
ejemplo PS, o el componente rígido de PU, o PET). El estado
transitorio (figura 3B) se alcanza mediante una deformación a una
temperatura superior a la temperatura de fusión del segundo
componente y un enfriamiento siguiente, de tal modo que los
cristales fijan una estructura microcristalina. De una manera
correspondiente se ajusta una menor adhesividad. La temperatura de
fusión de los copolímeros de bloque de fases separadas se encuentra,
por ejemplo, en el intervalo de 40ºC a 60ºC. Un suministro de calor
para el aumento de la temperatura provoca la fusión de las zonas
microcristalinas, de manera que se ajusta el estado original de
mayor adhesividad (figura 3A).
De acuerdo con otra alternativa, se pueden
utilizar copolímeros de bloque o mezclas de polímeros que contienen
dos componentes vítreos para ajustar diferentes formas de los
salientes y, con ello, diferentes adhesividades. Los salientes 12
pueden componerse, por ejemplo, de PU con componentes rígidos y
blandos, como, por ejemplo,
metilenbis(4-fenilisocianato) o bisfenol A
como componente rígido y cadenas metilénicas u oximetilénicas como
componente blando. En este caso, el estado permanente (figura 3A) es
memorizado por el estado vítreo de uno de los componentes (por
ejemplo el componente rígido de PU). El estado transitorio (figura
3B) se alcanza mediante una deformación a una temperatura superior a
la temperatura de transición vítrea del segundo componente y un
enfriamiento final de tal manera que se fije el estado vítreo del
segundo componente. La temperatura de transición vítrea del segundo
componente se encuentra, por ejemplo, en el intervalo de 15ºC a
60ºC. La mayor adhesividad se ajusta mediante un calentamiento de la
superficie estructurada a por encima de la temperatura de transición
vítrea del segundo componente (blando).
De acuerdo con la invención se pueden utilizar
elastómeros de cristal líquido nemáticos o esmécticos para la
formación de los salientes 12 de la superficie estructurada 11 de
acuerdo con la invención. El ajuste de la adhesividad mediante la
utilización de este grupo de polímeros se ilustra en la figura 6
mediante el ejemplo de la variación del ángulo de inclinación de los
salientes 12. Ejemplos de este tipo de polímeros que presentan una
memoria de forma biaxial son descritos, por ejemplo, por K. Hiraoka
y col. en "Macromolecules" volumen 38, 2005, pág.
7352-7357.
Para ajustar la adhesividad de la superficie
estructurada 11 según la variante mostrada en las figuras 4A y 4B se
puede utilizar un material polimérico contraíble y expansible, por
ejemplo basado en polietileno, o un material de múltiples capas, por
ejemplo de PE orientado biaxialmente, PP, fluoropolímeros o de
varias capas de PE de baja densidad. Los materiales poliméricos
adecuados se conocen, por ejemplo, de la técnica de embalajes.
Si se prevé un ajuste de la adhesividad mediante
un aumento de temperatura y la pieza mecánica dotada de la
superficie estructurada 11 o un objeto adyacente no son adecuados
para un calentamiento directo, se utilizan materiales poliméricos,
por ejemplo según los puntos 1 a 3, que están cargados con
partículas metálicas no magnéticas. Estos polímeros compuestos
admiten un calentamiento inductivo que ventajosamente está
localizado directamente en la superficie estructurada 11 y evita
daños en la pieza mecánica o en el objeto adyacente. El
calentamiento inductivo de composiciones poliméricas lo describen,
por ejemplo, Mohr y col. en "PNAS", volumen 103, 2006, pág.
3540-
3545.
3545.
Otra variante para el ajuste de la adhesividad,
especialmente en sistemas sensibles a la temperatura, consiste en la
utilización de polímeros compuestos con partículas magnéticas o
polímeros o composiciones poliméricas magnéticos para la formación
de los salientes. Se pueden utilizar, por ejemplo, polímeros a los
que se han añadido partículas magnéticas, por ejemplo de magnetita o
complejos de óxidos metálicos, o, como material polimérico
inherentemente magnético, poliacetileno o composiciones con unidades
repetitivas alternantes de polienos y arenos acoplados en posición
meta.
De acuerdo con la invención puede estar
previsto, por ejemplo, que el material polimérico con propiedades
magnéticas presente, en el estado sin campo, la forma permanente de
mayor adhesividad. Para ajustar una adhesividad menor se puede
conectar un campo magnético, bajo cuya acción varía, por ejemplo, el
ángulo de inclinación de los salientes 12 (figura 1). De manera
alternativa, el estado permanente se puede ajustar bajo la acción de
un campo magnético presente, variándose en este caso el campo
magnético presente en relación con la intensidad y/o la dirección
para ajustar la adhesividad.
Según otra alternativa, la acción del campo
magnético puede estar acoplada a una transición térmica, como se ha
descrito anteriormente en el punto 1.1. En este caso, el ajuste de
la adhesividad no sólo se puede realizar en función de la intensidad
y/o la dirección del campo magnético, sino también en función de la
temperatura de los salientes.
Para la generación del campo magnético para las
formas de realización de la invención mostradas, por ejemplo, en las
figuras 1, 3 ó 7 se utiliza, por ejemplo, un imán permanente como
parte de una herramienta adicional, tal como una herramienta de
transporte según la figura 8.
De acuerdo con la invención, los salientes 12
y/o la capa de soporte 13 de la superficie estructurada 11 se pueden
componer de un material polimérico que está configurado para
orientar las cadenas poliméricas en respuesta a un campo eléctrico
externo (material polimérico polar). El material polimérico
contiene, por ejemplo, dipolos que se pueden orientar en el campo
eléctrico externo. Con los materiales poliméricos polares se pueden
realizar, por ejemplo, las siguientes variantes.
Bajo la acción de un campo eléctrico, los
elastómeros de cristal líquido o los elastómeros con un aditivo de
cristal líquido que presentan mesofases nemáticas o esmécticas
pueden presentar, como se ilustra a título de ejemplo en la figura
6, una reorientación e inclinación mesogénica dependiente del campo
eléctrico. Los materiales poliméricos adecuados son, por ejemplo,
polímeros basados en siloxano, acrilato o éter metilénico con
cadenas laterales de cristal líquido o polímeros en forma de cadena
con un aditivo de cristal líquido de bajo peso molecular. Con
monodominios de tamaño adecuado (preferentemente conforme a la
sección transversal de los salientes, por ejemplo en el intervalo de
10 nm^{3} a unos \mum^{3}), una reorientación de las cadenas
se manifiesta en un cambio en la geometría exterior del material
polimérico. Ventajosamente, este proceso es reversible y se puede
activar o regular con la intensidad y/o la dirección del campo
eléctrico.
La adhesividad de la superficie estructurada 11
se puede ajustar, según la figura 7, con un material polimérico que
esté configurado para la formación espontánea de una superficie
estructurada en función de un campo eléctrico externo (material
polimérico autoorganizador). T. Thurn-Albrecht y
col. en "Macromolecules", volumen 33, 2000, pág.
3250-3253, por ejemplo, describen materiales
poliméricos adecuados.
La variación de acuerdo con la invención de los
salientes de una superficie estructurada puede comprender un cambio
geométrico inducido por radiación, en particular inducido por luz,
de la estructura de un elastómero o de un elastómero de cristal
líquido o de un polímero con un aditivo sensible a radiación. Con la
irradiación se pueden variar propiedades químicas o físicas del
material polimérico. Este tipo de variaciones comprenden, por
ejemplo, una activación o liberación de moléculas reticulantes
sensibles a la luz en el material polimérico, un cambio en los
momentos dipolares, cambios conformacionales, cambios en las
interacciones intermoleculares o reacciones químicas (por ejemplo,
reticulación). Con la irradiación puede cambiar la geometría de los
salientes, por ejemplo mediante una contracción/dilatación, una
deformación o torsión de los salientes.
Una variación de acuerdo con la invención de los
salientes de la superficie estructurada puede comprender una
isomerización. Con una irradiación se pueden inducir, por ejemplo,
cambios conformacionales de unidades reticulantes que se pueden
fotoisomerizar. La irradiación se efectúa a una longitud de onda que
se elige en función del comportamiento de absorción del polímero,
por ejemplo en la región UV, VIS o IR. Se puede prever, por ejemplo,
una fotoisomerización cis-trans de azobencenos por
irradiación a 365 nm o 436 nm. El proceso de isomerización provoca
una reducción en la longitud de las cadenas poliméricas. Por
ejemplo, en la unidad de azobenceno se produce una reducción de la
longitud de las cadenas de 0,9 nm a 0,55 nm. De manera alternativa
pueden estar previstos cambios conformacionales en espirooxazinas o
cromenos. Mediante el cambio conformacional se generan
reticulaciones entre cadenas por medio de las cuales se puede
inducir, dependiendo de la irradiación, una dilatación o una
contracción del polímero.
De modo análogo al punto 7.1, se puede provocar
una contracción mediante una dimerización inducida por radiación.
Por ejemplo, una irradiación puede inducir una dimerización o
reticulación en un polímero que contiene grupos cinámicos que forman
parte de la cadena polimérica.
De acuerdo con la invención, los salientes de la
superficie estructurada se pueden componer de un material polimérico
que contiene un aditivo que está configurado para separar cargas
bajo irradiación. El aditivo comprende, por ejemplo, leucoderivados
de trífenilmetano que, bajo irradiación con luz UV, se disocian en
pares iónicos. Por las cargas inducidas por la irradiación puede
producirse en los salientes una repulsión electrostática que causa
una dilatación o contracción macroscópica del material. De manera
correspondiente, una irradiación puede variar la forma o la
orientación de los salientes (véanse, por ejemplo, las figuras 1 ó
3), y de modo correspondiente se puede ajustar la adhesividad de la
superficie estructurada de acuerdo con la invención.
Según otra variante, los salientes de la
superficie estructurada se pueden componer de polímeros con memoria
de forma inducida por luz, tal como los describe, por ejemplo, A.
Lendlein y col. en "Nature", volumen 434, 2005, pág.
879-882, o en "Adv. Mat.", volumen 18, 2006,
pág. 1471-1475.
La adhesividad de la superficie estructurada de
acuerdo con la invención se puede modular mediante un cambio en el
módulo de Young del material de los salientes y/o de la capa de
soporte. Por variación de la elasticidad se puede ajustar una
adhesividad variada. La adhesividad aumenta con la blandura del
material de los salientes y/o de la capa de soporte. El módulo de
Young se puede variar (aumentar o reducir), por ejemplo, mediante un
cambio de temperatura o la presencia de una sustancia química, como,
por ejemplo, un disolvente o agua. Mediante la presencia de un
disolvente o de humedad del aire se puede variar, por ejemplo, el
módulo de Young de polímeros o geles higroscópicos, por ejemplo
poliacrilamida o poliéter (figura 5).
Mediante la presencia de disolventes o agua o
mediante un cambio de temperatura se pueden variar las propiedades
físicas o químicas de polímeros con energía superficial variable,
como, por ejemplo, polímeros de fases separadas (polímeros de
bloque, mezclas de polímeros). Las cadenas poliméricas que se
encuentran en la superficie del material se modifican en función de
la temperatura, un disolvente o agua al cambiar la compatibilidad de
fases de los componentes de estos polímeros. Como resultado puede
aumentar o disminuir la adhesividad de la superficie. Estos cambios
se pueden combinar con cambios mecánicos, por ejemplo mediante un
cambio de la microestructura del material polimérico.
La figura 8 ilustra a título de ejemplo una
aplicación de la invención en la técnica del transporte. Una pieza
mecánica 10 de acuerdo con la invención con una superficie
estructurada 11 está dispuesta en una herramienta de transporte 20.
La herramienta de transporte 20 está equipada con un dispositivo de
conmutación 22 con el que se pueden provocar cambios físicos y/o
químicos en la superficie estructurada 11. Con el dispositivo de
transporte 20 se pueden transportar objetos, como, por ejemplo,
piezas de trabajo 31, desde una primera estación de trabajo 32 hasta
una segunda estación de trabajo 33.
El proceso de transporte comprende, por ejemplo,
los pasos siguientes. Primero se mueve la herramienta de transporte
20 a la primera estación de trabajo 32. Con el dispositivo de
conmutación 22 se ajusta una adhesividad mayor de la superficie
estructurada 11. La pieza mecánica 10 se aproxima al objeto 31 hasta
que el área de contacto de la superficie estructurada 11 toque la
superficie del objeto 31. Mediante fuerzas de interacción
moleculares se genera una unión adherente entre la superficie
estructurada 11 y el objeto 31. Con la herramienta de transporte 20
se mueve el objeto 31 a la segunda estación de trabajo 33. En ésta
se acciona el dispositivo de conmutación 22 de manera que se ajuste
la adhesividad menor de la superficie estructurada 11. Como
resultado se suelta el objeto 31. La herramienta de transporte 20 se
puede volver a mover a la primera estación de trabajo para realizar
otros traslados según el procedimiento.
Otras posibilidades de aplicación se encuentran,
por ejemplo, en la técnica de la construcción, en la técnica médica
y en la técnica de los artículos domésticos.
Las características de la invención dadas a
conocer en la descripción anterior, los dibujos y las
reivindicaciones pueden ser importantes tanto individualmente como
en combinación para la realización de la invención en sus diversas
configuraciones.
\vskip1.000000\baselineskip
En la lista de documentos indicados por el
solicitante se ha recogido exclusivamente para información del
lector, y no es parte constituyente del documento de patente
europeo. Ha sido recopilada en el mayor cuidado; sin embargo, la EPA
no asume ninguna responsabilidad por posibles errores u
omisiones.
- \bullet WO 03099951 A2 [0003][0015][0025]
- \bullet WO 03099951 A1 [0031]
\bullet EP 1422439 A1 [0005]
\bullet Y. Zhang et al. Appl
Phys Lett., 2006, vol. 89, 041912 [0022]
\bullet A. Lendlein et al.
Angewandte Chemie - Intenational Edition, 2002, vol.
41, 2034-2057 [0026]
\bullet R. Mohr et al.
PNAS, 2006, vol. 38, 7352-7357
[0026]
\bullet K. Hiraoka et al.
Macromolecules, 2005, vol. 38,
7352-7357 [0026]
\bullet A. Lendlein et al.
Nature, 2005, vol. 434, 879-882
[0026]
\bullet von K. Hiraoka et al.
Macromole-cules, 2005, vol. 38,
7352-7357 [0054]
\bullet von Mohr et al.
PNAS, 2006, vol. 103 3540-3545
[0056]
\bullet von T.
Thurn-Albrecht et al.
Macromolecules, 2000, vol. 33,
3250-3253 [0063]
\bullet von A. Lendlein et al.
Nature, 2005, vol. 434, 879-882
[0068]
\bulletAdv. Mat., 2006, vol.
18, 1471-1475 [0068]
Claims (14)
1. Superficie estructurada (11) de un sólido
(10) que comprende:
- -
- una pluralidad de salientes (12) que constituyen un área de contacto (14) con una adhesividad respecto a un entorno adyacente y
- -
- una capa de soporte (13) sobre la que están dispuestos los salientes (12),
- -
- pudiéndose variar selectivamente las propiedades de los salientes (12) y/o de la capa de soporte (13) de tal manera que se pueda ajustar la adhesividad del área de contacto (14),
- caracterizada porque
- -
- la adhesividad se genera mediante fuerzas de interacción moleculares ejercidas por el área de contacto sobre el entorno adyacente y
- -
- la adhesividad del área de contacto (14) se puede conmutar mediante una variación dirigida de al menos una de las propiedades químicas que comprenden una estructura molecular, una estructura polimérica, una composición química y una adsorción superficial del material de los salientes (12), y/o de al menos una de las propiedades físicas que comprenden un ángulo de inclinación de los salientes (12), una distribución de los ángulos de inclinación de los salientes (12), una distancia entre las partes superiores de los salientes (12), un módulo de elasticidad de los salientes (12), una dependencia direccional de un módulo de elasticidad de los salientes (12) y un grado de contracción de la capa de soporte (13).
2. Superficie estructurada según la
reivindicación 1, en la que los salientes (12) y/o la capa de
soporte (13) se componen de un material que puede variar mediante un
cambio de temperatura, un campo magnético, un campo eléctrico,
radiación electromagnética, una fuerza mecánica y/o sustancias
químicas.
3. Superficie estructurada según al menos una de
las reivindicaciones anteriores, en la que los salientes (12) o la
capa de soporte (13) se componen de un material polimérico o un
metal.
4. Superficie estructurada según la
reivindicación 3, en la que el material polimérico comprende un
polímero con memoria de forma, un polímero de cristal líquido, un
polímero compuesto con partículas metálicas no magnéticas, un
polímero compuesto con partículas magnéticas, un polímero sensible a
radiación y/o un polímero sensible a líquido.
5. Superficie estructurada según al menos una de
las reivindicaciones anteriores, en la que las propiedades de los
salientes (12) y/o de la capa de soporte (13)
- -
- se pueden variar de manera reversible y repetidas veces o
- -
- se pueden variar irreversiblemente.
6. Superficie estructurada según al menos una de
las reivindicaciones anteriores, en la que los salientes (12)
- -
- presentan áreas frontales (13) que en un estado adhesivo del área de contacto (14) presentan la misma distancia vertical de la capa de soporte (11),
- -
- presentan una estructura hueca o en forma de escudilla que en un estado adhesivo del área de contacto (14) genera un efecto de succión.
7. Superficie estructurada según al menos una de
las reivindicaciones anteriores, en la que la adhesividad del área
de contacto (14) forma un gradiente.
8. Pieza mecánica que está dotada de una
superficie estructurada según al menos una de las reivindicaciones
anteriores.
9. Pieza mecánica según la reivindicación 8, en
la que la capa de soporte de la superficie estructurada es
componente integral de un cuerpo de base de la pieza mecánica o está
dispuesta en forma de capa sobre el cuerpo base.
10. Uso de una superficie estructurada o de una
pieza mecánica según al menos una de las reivindicaciones
anteriores:
- -
- en la técnica del transporte,
- -
- en la técnica de la construcción,
- -
- en la técnica médica,
- -
- en la técnica textil,
- -
- en la técnica de artículos deportivos, o
- -
- en la técnica de artículos domésticos.
11. Procedimiento para la modificación de una
superficie estructurada (11) de un sólido (10) que presenta una
pluralidad de salientes (12) que constituyen un área de contacto
(14) con una adhesividad respecto a un entorno adyacente y una capa
de soporte (13) sobre la cual están dispuestos los salientes (12),
en el que
- -
- está prevista una variación selectiva de las propiedades de los salientes (12) y/o de la capa de soporte (13) de tal manera que se ajuste una adhesividad predeterminada del área de contacto (14),
- caracterizado porque
- -
- la adhesividad se genera mediante fuerzas de interacción moleculares ejercidas por el área de contacto sobre el entorno adyacente, y
- -
- la adhesividad del área de contacto (14) se conmuta mediante una variación dirigida de al menos una de las propiedades químicas que comprenden una estructura molecular, una estructura polimérica, una composición química y una adsorción superficial del material de los salientes (12), y/o de al menos una de las propiedades físicas que comprenden un ángulo de inclinación de los salientes (12), una distribución de los ángulos de inclinación de los salientes (12), una distancia entre las partes superiores de los salientes (12), un módulo de elasticidad de los salientes (12), una dependencia direccional de un módulo de elasticidad de los salientes (12) y un grado de contracción de la capa de soporte (13).
12. Procedimiento según la reivindicación 11, en
el que
- -
- los salientes (12) y/o la capa de soporte (13) se exponen a un cambio de temperatura, un campo magnético, un campo eléctrico, radiación electromagnética, una fuerza mecánica y/o una sustancia química.
13. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 11 a 12, en el que la variación de las propiedades
de los salientes (12) y/o de la capa de soporte (13)
- -
- es reversible y se repite, o
- -
- es irreversible.
14. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 11 a 13, en el que se prevé ajustar un gradiente de
adhesividad en el área de contacto (14).
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