ES2587404T3 - Revestimiento auto-lubricante y método para producir un revestimiento auto-lubricante - Google Patents
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Abstract
Un revestimiento (7) hecho de una capa metálica (8), en la cual se incorpora un lubricante (1) que se puede liberar mediante el uso o desgaste, en el que el lubricante (1) consiste en un compuesto orgánico con al menos una ramificación (2), caracterizado porque el compuesto orgánico es una macromolécula que tiene al menos un grupo tiol (6), en el que la macromolécula consta de los mismos o de diferentes átomos o grupos de átomos y tiene al menos 15 átomos sobre la distancia de su máxima dimensión espacial y tiene una longitud de cadena máxima de 200 átomos a lo largo de su dimensión máxima.
Description
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DESCRIPCION
Revestimiento auto-lubricante y metodo para producir un revestimiento auto-lubricante
La presente invencion se refiere a un revestimiento hecho de una capa metalica en la cual esta incorporado un lubricante que se puede liberar con el desgaste, en el cual el lubricante incorporado en la capa metalica consiste en un compuesto organico con al menos una ramificacion. La presente invencion se refiere ademas a un componente auto-lubricante con un revestimiento aplicado al menos en ciertas zonas o partes, a un metodo para producir un revestimiento y un componente auto-lubricante y tambien a un electrolito de revestimiento que comprende al menos un tipo de metal disuelto en forma de ion o complejo y al menos un lubricante.
Es conocido en la tecnica que los revestimientos pueden influir en las propiedades ffsicas, electricas y/o qmmicas en la superficie de un material. La superficie se puede tratar con ayuda de metodos de ingeniena de superficies de tal forma que, por ejemplo, el revestimiento de la superficie ofrezca proteccion mecanica frente al desgaste provocado por el uso, presente resistencia a la corrosion, sea biocompatible y/o tenga una conductividad aumentada.
En contactos de conexion enchufables y en conectores de presion, su tribologfa y uso determinan con frecuencia el numero de posibles actuaciones y aseguran que funcionen de manera adecuada. Los sistemas de engrasado y aceitado que reducen el rozamiento y, de ese modo, el desgaste, aplicados externamente a los componentes de conexiones enchufables y de presion son eficaces solamente con actuaciones limitadas y tampoco a largo plazo y pueden cambiar tambien qmmicamente.
En consecuencia, es conveniente obtener revestimientos que aumenten la resistencia al uso de una forma mas duradera.
El documento de la patente WO 2008/122570 A2 describe un revestimiento para un componente, por ejemplo la parte electricamente conductora de un enchufe, que tiene una matriz con al menos un metal en la matriz. En la matriz metalica se incorporan nanopartfculas que tienen un tamano promedio menor de 50 nm y cada una de ellas tiene al menos un portador de una funcion. El portador de funcion sirve para influir en las propiedades de la matriz en el sentido deseado. Por ejemplo, un metal como portador de funcion puede alterar la conductividad del revestimiento. Los portadores de funcion hechos de materiales especialmente duros, como el carburo de silicio, el nitruro de boro, el oxido de aluminio y/o el diamante, pueden aumentar la dureza de la matriz y mejorar el comportamiento frente al desgaste del componente revestido.
Se conoce por ejemplo un revestimiento que disminuye el desgaste de un componente que hace que sea innecesaria la lubricacion del mismo, a partir del documento de la patente EP 0 748 883 A1. El revestimiento de dicho documento se distingue por una capa metalica en la cual se introducen nanopartfculas distribuidas homogeneamente, a las cuales esta unida una sustancia que disminuye el rozamiento. La nanopartfcula puede, por ejemplo, consistir en AhO3, ZrO o TiO2 y tener un compuesto de tipo jabon unido a su superficie.
Los recubrimientos descritos en los documentos de las patentes EP 0 748 833 A1 y WO 2008/122570 A2 tienen el inconveniente de que los portadores de funcion propiamente dichos, que influyen en las propiedades del revestimiento de la superficie, estan incorporados en la capa metalica a la vez que acoplados a un portador. Este acoplamiento conduce a etapas adicionales en el metodo, aumentando el consumo de materiales y con mayores costes del revestimiento. El documento de la patente WO 98/23444 A1 se refiere a un deposito de revestimiento de estano libre de plomo para la superficie de contacto de rodamientos u otros mecanismos de rozamiento, tales como conexiones electricas, que incluye estano electrodepositado en el cual se incorpora un lubricante solido, como Teflon en polvo, grafito y/o disulfuro de molibdeno, junto con una pequena cantidad de carbon codepositado que generalmente esta en forma de un compuesto organico o un polfmero. Tambien se proporciona un deposito de una disolucion de galvanizado para depositar el estano, un lubricante solido codepositado y un revestimiento de carbono codepositado. Tambien se proporciona un metodo para el galvanizado de un deposito de revestimiento de estano libre de plomo que tiene codepositado un lubricante solido y carbono codepositado sobre la superficie de contacto de un rodamiento utilizando la disolucion.
El objeto de la presente invencion es por lo tanto proporcionar un revestimiento resistente al desgaste mejorado que sea de estructura sencilla y economico de producir.
Segun la invencion, el revestimiento segun la reivindicacion 1 y el electrolito de revestimiento segun la reivindicacion 10 consiguen dicho objetivo mediante el hecho de que el lubricante incorporado en la capa metalica consiste en un compuesto organico con al menos una ramificacion.
El metodo segun la reivindicacion 11 para producir el revestimiento segun la invencion alcanza este objeto mediante las etapas de:
a) anadir al menos un lubricante que consiste en un compuesto organico con al menos una ramificacion a una disolucion de electrolito que tiene al menos un tipo de metal disuelto en forma de ion o complejo; y
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b) depositar el metal disuelto y el lubricante de la disolucion de electrolito como un revestimiento sobre un componente, donde el compuesto organico es una macromolecula que tiene al menos un grupo tiol, donde la macromolecula consta de los mismos o diferentes atomos o grupos de atomos y tiene al menos 15 atomos a lo largo de su dimension espacial maxima y tiene una longitud de cadena maxima de 200 atomos a lo largo de su dimension maxima.
El grupo tiol tiene por un lado gran afinidad por los metales y, por otro, asegura, debido a su polaridad, repulsiones entre unas y otras moleculas del lubricante.
En la presente invencion, el compuesto organico incorporado en la capa metalica es el lubricante que esta parcialmente expuesto durante la abrasion y el desgaste del revestimiento segun la invencion sobre la superficie del revestimiento y forma allf una pelfcula lubricante que reduce el desgaste, No se necesita un elemento de transporte , tal como las nanopartfculas inorganicas de los documentos de las patentes WO 2008/122570 A2 o EP o 748 883 A1 de tal forma que se evita con la presente invencion el enlace del elemento portador de funcion, es decir, los metales de la patente WO 2008/122570 A2 o los compuestos de tipo jabon de la EO 0 748 883 A1, a las partfculas portadoras en una etapa posterior del metodo.
Debido a que el efecto lubricante deseado del revestimiento segun la invencion se consigue ya en una capa intermedia mmimamente monoatomica del compuesto lubricante organico o una parte suya durante la puesta en contacto de las dos capas, la resistencia al desgaste del revestimiento segun la invencion se multiplica, de tal modo que se puede reducir el espesor de la capa necesaria, lo que conduce a una disminucion del consumo de materias primas y al ahorro de costes.
Los compuestos organicos son todos los compuestos de carbono, excepto aquellos que se consideran excepciones de qmmica inorganica, por ejemplo carburos, consigo mismo o con otros elementos, por ejemplo, H, N, O, Si, B, F, Cl, Br, S, P o combinaciones de estos elementos, incluyendo aquellos que contienen poco carbono, como las siliconas.
La solucion segun la invencion se puede mejorar ademas mediante varias configuraciones que son independientes entre su Estas configuraciones y las ventajas asociadas con ellas se describiran brevemente en esta memoria a continuacion.
Preferiblemente, el compuesto organico tiene una estructura molecular sustancialmente tridimensional. Una estructura tridimensional y, en consecuencia, compacta, tiene la ventaja de que las moleculas lubricantes se distribuyen de manera mas uniforme en la disolucion de electrolito y de que se disminuye el riesgo de aglomeracion y de formacion de grumos. En consecuencia, es posible conseguir una distribucion particularmente homogenea del lubricante en la disolucion de electrolito y en el revestimiento. Sin embargo, es posible tambien usar, dependiendo de la aplicacion, compuestos organicos que tienen una estructura molecular sustancialmente plana o de tipo cadena, es decir, una disposicion sustancialmente lineal o laminar de los atomos del compuesto organico.
El compuesto organico, que a partir de ahora se denominara tambien molecula lubricante, es una macromolecula. El termino “macromolecula” se refiere a moleculas que constan de los mismos o diferentes atomos o grupos de atomos y que tienen al menos 15 atomos a lo largo de la distancia de su dimension espacial maxima. Los lubricantes macromoleculares de este tipo, entre los que se incluyen polfmeros, tienen la ventaja de poder ser usados en una amplio rango de usos y de que se pueden escoger de manera optima para la aplicacion correspondiente. Simplemente hay que tener cuidado de asegurarse de que las macromolecula y los constituyentes de las cadenas de ellas, incluyendo copolfmeros, polfmeros de mezcla o polfmeros de bloques, se escogen de tal forma que tengan propiedades lubricantes en el sistema de capas que proporciona el contacto y que no influyen de manera perjudicial en las propiedades electricas. Ademas, por supuesto, los compuestos usados como lubricantes debenan ser qmmicamente estables en las disoluciones de electrolito usadas para producir el revestimiento al cual no debenan influir de manera perjudicial.
Se ha encontrado que, en particular, los compuestos organicos que tienen una dimension espacial maxima de aproximadamente 10 nm, preferiblemente al menos 3 nm, tienen propiedades lubricantes especialmente buenas. Ademas, las moleculas lubricantes de este orden de magnitud son conductoras electricamente, en el sentido de que forman un “tunel” y se pueden usar en revestimientos que son electricamente conductores. El termino “dimension espacial maxima” se refiere en este caso a la extension mas larga de la molecula a lo largo de un eje espacial, por ejemplo, el diametro de un lubricante de forma esferica o en placa. Este diseno corresponde sustancialmente a una longitud de cadena maxima de aproximadamente 200 atomos, preferiblemente de aproximadamente 60 atomos a lo largo de la distancia de la dimension maxima.
Debido a la relativamente baja dimension espacial de las moleculas lubricantes usadas para la presente invencion, que esta bien por debajo del orden de magnitud de mas de 50 nm en los revestimientos de nanopartfculas usados, se puede disminuir el tamano de grano metalico en el revestimiento para situarlo en el rango de nanoescala de las propias moleculas de lubricante.
En particular, el compuesto lubricante organico se puede estructurar de forma dendntica, es decir, de manera marcada y altamente ramificada. La alta y pronunciada ramificacion puede ser tanto de forma simetrica como
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asimetrica. Particularmente ventajosas como moleculas lubricantes son las sustancias dendnticas y los poUmeros, debido a su buena distribucion en la disolucion de electrolito a que tienen baja viscosidad y a que tienden a formar nanoestructuras, en particular nanopartfculas.
Con el fin de aumentar la incorporacion del lubricante, el compuesto organico es una macromolecula que tiene al menos un grupo funcional, a saber, un grupo tiol, que tiene afinidad por el metal de la capa metalica. Esto hace que las moleculas lubricantes, que durante el proceso de deposicion se situan a una distancia corta de la capa metalica, se muevan hacia la capa metalica y se depositen sobre ella. En principio, la afinidad del grupo funcional con la capa metalica debena ser mayor que con el disolvente de la disolucion de electrolito con el fin de favorecer la incorporacion o deposicion del lubricante.
No se produce la aglomeracion o la cobertura completa de la capa metalica con las moleculas lubricantes, ya que la afinidad con el metal del grupo funcional tiene efecto solamente en la capa de difusion, es decir en las inmediaciones de la superficie del revestimiento. Con el fin de descartar el riesgo de aglomeracion de las moleculas de lubricante en la disolucion de electrolito, es posible proporcionar en el compuesto organico un grupo funcional que conduzca a la repulsion mutua de las moleculas de lubricante individuales en la disolucion de electrolito. Este grupo funcional se dispone preferiblemente de forma terminal, es decir, en el extremo de la cadena o de una rama de la cadena.
Resulta ventajoso, tanto para la afinidad con la capa metalica como para la repulsion de las moleculas lubricantes entre sf, que el grupo tiol este expuesto en la superficie del compuesto organico. Entonces el grupo tiol se expone en la parte exterior de la molecula lubricante y se dispone de esta manera donde las moleculas lubricantes entran en contacto con la capa metalica o con otras moleculas similares en la disolucion de electrolito.
La capa metalica se escoge preferiblemente el grupo formado por los metales Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, W, Cr, Zn, Sn, Pb y sus aleaciones. En particular una capa metalica hecha de plata u oro interacciona de manera eficaz con moleculas lubricantes que tienen un grupo tiol, debido a la alta afinidad del grupo tiol con estos metales.
El electrolito de revestimiento segun la invencion, tal como se produce por ejemplo en la etapa a) del metodo segun la invencion, comprende al menos un ion metalico y un lubricante que tiene al menos un tipo de compuesto organico segun una de las realizaciones previamente descritas en el texto, que se incorpora al revestimiento segun la invencion.
La presente invencion se refiere tambien a un componente auto-lubricante con un revestimiento aplicado al menos en ciertas zonas segun una de las realizaciones previamente descritas. En el componente segun la invencion, el revestimiento esta unido preferentemente a una superficie de un contacto electrico, de tal modo que, debido a la mayor resistencia al desgaste que se consigue con el revestimiento segun la invencion, se pueden aplicar capas con espesores menores con buena resistencia de contacto, lo que lleva a una disminucion del tamano y a la simplificacion del correspondiente contacto y tambien a una disminucion del peso y a un menor consumo de materias primas.
El revestimiento es especialmente adecuado para enchufes y otros componentes de conexion, en particular para piezas de una conexion enchufable o de una conexion de presion.
A partir de aqrn, la invencion se describira con mayor detalle en el texto tomando como base una realizacion a tttulo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:
La figura 1 es una ilustracion esquematica de una realizacion preferida de un lubricante usado en la presente invencion.
La figura 2 es una ilustracion esquematica de un electrolito de revestimiento segun la invencion que comprende el lubricante de la figura 1.
La figura 3 es una ilustracion esquematica de un detalle de un componente auto-lubricante segun la presente invencion con el revestimiento segun la invencion aplicado, en el cual esta incorporado el lubricante de la figura 1 y
La figura 4 es una ilustracion esquematica de un detalle de la region de contacto de un montaje de conexion en el cual ambos elementos que se conectan tienen cada uno de ellos un revestimiento segun la invencion como se muestra en la figura 3.
La figura 1 muestra una molecula del lubricante 1 segun una realizacion preferida. El lubricante 1 consiste en un compuesto organico altamente ramificado, 2, a saber, un polfmero dendntico, 3.
El polfmero 3 se hace a partir de bloques de monomero entrelazados 4 que se entrelazan en una estructura marcadamente ramificada para formar el polfmero dendntico 3 como un compuesto organico 2.
El polfmero dendntico 3 segun la invencion mostrado es un compuesto organico macromolecular con una estructura macromolecular sustancialmente esferica, tridimensional. La dimension espacial de este compuesto lubricante organico 2 es del orden de la nanoescala. El diametro, como dimension espacial d del compuesto esferico mostrado 2 mostrado, es < 10 nm, preferiblemente < 3 nm.
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Se disponen grupos funcionales 5, los grupos tiol 6, en la superficie del compuesto organico 2. Los grupos tiol 6 se localizan preferiblemente sobre las unidades de monomero terminales, es decir, los monomeros terminales 4 que en terminos de estructura estan dispuestos preferiblemente en la superficie del polfmero dendntico 3.
El lubricante 1 mostrado en la figura 1, que esta hecho de un compuesto lubricante organico de nanoescala funcionalizado tiene, debido a la estructura qmmica y al tamano ffsico del polfmero 3, buenas propiedades de lubricacion y puede ser incorporado de manera efectiva, como lubricante 1 que puede ser liberado por desgaste, en la capa metalica 8 de un revestimiento 7 segun la invencion.
Con el fin de producir un revestimiento auto-lubricante 7 segun la invencion con el lubricante preferido 1 mostrado en la figura 1, las moleculas de lubricante, es decir, el compuesto organico 2, se anaden a una disolucion de electrolito que tiene un metal 9 disuelto como ion o complejo con el fin de producir un electrolito de revestimiento 10 que se ilustra de manera esquematica en la figura 2.
El electrolito de revestimiento 10 comprende al menos un tipo de iones metalicos 9 y al menos un tipo de lubricante 1 que consta de al menos un compuesto organico ramificado 2 segun la presente invencion. Debena notarse que la figura 2 ilustra el electrolito de revestimiento 10 segun la invencion simplemente a tttulo de ejemplo y de forma esquematica. En particular, la proporcion de mezcla de iones metalicos 9 a lubricante 1 se ha escogido de forma arbitraria y no corresponde generalmente a la proporcion a la cual se incorpora el lubricante 1 en el revestimiento 7.
Con el fin de producir el revestimiento 7 segun la invencion, los iones metalicos 9 del electrolito de revestimiento 10 se depositan sobre un componente 11, siendo depositadas tambien las moleculas de lubricante 1 e incorporadas en la capa metalica 8. Durante esta co-deposicion, que preferiblemente se lleva a cabo electroqmmicamente, los iones metalicos 9 cristalizan sobre la superficie 12 que se va a revestir en forma de capa metalica 8 constituida por los atomos metalicos 9'. Durante la cristalizacion, las moleculas de lubricante 1 se incorporan en la capa metalica 8 o se depositan sobre la misma, produciendo asf el revestimiento compuesto 7 segun la invencion como se muestra en la figura 3.
La deposicion y la incorporacion del lubricante 1 en la capa metalica 8 se favorece mediante los grupos funcionales 5 del compuesto organico 2 que tiene, como grupo tiol 6, afinidad con la capa metalica 8, en particular si la capa metalica comprende plata u oro.
En la realizacion mostrada en la figura 3, el revestimiento 7 segun la invencion se aplica a la superficie 12 de un contacto electrico 11'. Se obtiene de esta forma un componente auto-lubricante 11 segun la invencion. El revestimiento 7 asegura una mayor resistencia al desgaste de la superficie 12 del componente 11, ya que durante la abrasion el lubricante 1 se expone parcialmente en la superficie del revestimiento 7, donde forma una pelfcula lubricante 14 en la region de contacto 13.
Esto se puede ver de manera especialmente clara en la figura 4 que muestra una conexion 15, por ejemplo una conexion de un enchufe 15a o una conexion por presion 15b, en la cual se proporciona cada uno de los dos componentes 11 que se tienen que ajustar para producir la conexion 15 con un revestimiento 7 segun la invencion sobre su superficie 12.
La figura 4 muestra como se liberan las moleculas individuales del compuesto organico 2 del revestimiento 7 segun la invencion por abrasion en la superficie respectiva 12 del revestimiento 7 y forman una pelfcula lubricante 14 en la region de contacto 13 cuando los componentes 11 de la conexion 15 se juntan. Esta pelfcula lubricante 14 aumenta la resistencia al desgaste de la conexion 15 debido a las buenas propiedades tribologicas del lubricante 1, cuyo compuesto lubricante organico 2 forma la pelfcula lubricante 14, como resultado de lo cual se disminuye notablemente la abrasion de la capa metalica 8 y se aumenta la resistencia al desgaste del componente 11.
Aunque solo se utiliza un tipo de lubricante 1 en el revestimiento 7 segun la invencion en la realizacion de ejemplo mostrada en las figuras, por supuesto es posible tambien incorporar distintos lubricantes 1 en la capa metalica del revestimiento 7, siempre y cuando estos diferentes lubricantes 1 consten cada uno de ellos de al menos un compuesto organico ramificado 2 que es una macromolecula que tiene al menos un grupo tiol 6.
Claims (15)
- 5101520253035404550REIVINDICACIONES1. Un revestimiento (7) hecho de una capa metalica (8), en la cual se incorpora un lubricante (1) que se puede liberar mediante el uso o desgaste, en el que el lubricante (1) consiste en un compuesto organico con al menos una ramificacion (2), caracterizado porque el compuesto organico es una macromolecula que tiene al menos un grupo tiol (6), en el que la macromolecula consta de los mismos o de diferentes atomos o grupos de atomos y tiene al menos 15 atomos sobre la distancia de su maxima dimension espacial y tiene una longitud de cadena maxima de 200 atomos a lo largo de su dimension maxima.
- 2. Un revestimiento (7) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el compuesto organico (2) tiene una estructura molecular tridimensional.
- 3. Un revestimiento (7) segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el compuesto organico (2) tiene una dimension espacial maxima d de aproximadamente 10 nm, preferiblemente de aproximadamente 3 nm.
- 4. Un revestimiento (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el compuesto organico (2) esta estructurado de forma dendntica.
- 5. Un revestimiento (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el grupo tiol (5) se expone en la superficie del compuesto organico (2), en donde el grupo tiol se dispone preferiblemente de manera terminal.
- 6. Un revestimiento (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la capa metalica 8 se escoge en el grupo formado por los metales Cu, Ni, Co, Fe, Ag, Au, Pd, Pt, Rh, W, Cr, Zn, Sn, Pb y sus aleaciones.
- 7. Componente auto-lubricante (11) con un revestimiento (7) aplicado al menos en ciertos partes, segun una de las reivindicaciones 1 a 6.
- 8. Componente (11) segun la reivindicacion 7, caracterizado porque el revestimiento (7) esta unido a una superficie (12) de un contacto electrico (11').
- 9. Componente (11) segun las reivindicaciones (7) u (8), caracterizado porque es parte de una conexion enchufable (15a) o de una conexion a presion (15b).
- 10. Electrolito de revestimiento (10) que comprende al menos un tipo de metal (9) disuelto como ion o complejo y al menos un lubricante (1), consistiendo dicho lubricante (1) en un compuesto organico (2) con al menos una ramificacion, caracterizado porque el compuesto organico es una macromolecula que tiene al menos un grupo tiol (6), de modo que la macromolecula consta del mismo o diferentes atomos o grupos de atomos y tiene al menos 15 atomos a lo largo de la distancia de su dimension espacial maxima y tiene una longitud de cadena maxima de 200 atomos a lo largo de su dimension maxima.
- 11. Metodo para producir un revestimiento (7) segun una de las reivindicaciones 1 a 6, que incluye las etapas de:a) anadir al menos un lubricante (1) que consiste en un compuesto organico (2) con al menos una ramificacion a una disolucion de electrolito que tiene al menos un tipo de metal disuelto en forma de ion o complejo; yb) depositar el metal disuelto (9) y el lubricante (1) de la disolucion de electrolito segun la etapa a) como un revestimiento (7) sobre un componente (11), caracterizado porque el compuesto organico es una macromolecula que tiene al menos un grupo tiol (6), donde la macromolecula consta de los mismos o diferentes atomos o grupos de atomos y tiene al menos 15 atomos a lo largo de la distancia de su dimension espacial maxima y tiene una longitud de cadena maxima de 200 atomos a lo largo de su dimension maxima.
- 12. El electrolito de revestimiento (10) de la reivindicacion 10 o el metodo de la reivindicacion 11, caracterizado porque el compuesto organico (2) tiene una estructura molecular tridimensional.
- 13. El electrolito de revestimiento (10) de las reivindicaciones 10 o 12 o el metodo de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque el compuesto organico (2) tiene una dimension espacial maxima d de aproximadamente 10 nm, preferiblemente de aproximadamente 3 nm.
- 14. El electrolito de revestimiento (10) de las reivindicaciones 10, 12 o 13 o el metodo de las reivindicaciones 11, 12 o 13, caracterizado porque el compuesto organico (2) esta estructurado de forma dendntica.
- 15. El electrolito de revestimiento (10) de las reivindicaciones 10 o 12 a 14 o el metodo de las reivindicaciones 11 o 12 a 14, caracterizado porque el grupo tiol (5) se expone en la superficie del compuesto organico (2), de modo que el grupo tiol se dispone preferiblemente de manera terminal.
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