Método para fabricar un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que consten de microestructuras y nanoestructuras,

comprendiendo el método los pasos siguientes:

disponer una lámina termoplástica (27);

disponer un primer sustrato (1);

configurar nanoestructuras (3) en la lámina termoplástica (27);

configurar microestructuras (5, 6) sobre el primer sustrato (1);

cubrir la superficie del primer sustrato (1) que comprende las microestructuras (5, 6) con la lámina termoplástica nanoestructurada (27);

realizar el moldeo de un elastómero polimérico sobre el primer sustrato (1) con nanoestructuras (3) y microestructuras (5, 6) para formar un sello de polímero (11);

desprender el sello de polímero (11).

Metodo para fabricar un sello de polimero para la reproducción de dispositivos que consten de microestructuras y nanoestructuras, un sello de polimero y un dispositivo correspondiente.

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a un método para fabricar un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que consten de microestructuras y nanoestructuras, un sello de polímero y un dispositivo que conste de microestructuras y nanoestructuras. En particular, hace referencia a microdispositivos que podrían utilizarse en un microsistema de pilas de combustible como sistemas de suministro de combustible o sistemas de gestión de agua con microestructuras y nanoestructuras. El dispositivo, preferentemente, está compuesto por polímero.

Antecedentes de la invención

Diferentes campos de la tecnología como la nanotecnología, la biotecnología o la óptica necesitan materiales

o técnicas de fabricación para su futuro desarrollo. Gracias a la integración de las nano y microestructuras, se podrían conseguir unos dispositivos altamente funcionales en aplicaciones como la fluídica, los biochips o los cristales fotónicos. Se conocen diferentes procesos de micro y nanofabricación y técnicas de microestructuras tridimensionales. La creciente necesidad de dispositivos poliméricos ha llevado a que el micromaquinado basado en polímero tenga una mayor importancia. Debido a la gran variedad de materiales poliméricos, ofrecen una buena biocompatibilidad y resistencia química así como buenas propiedades ópticas para las aplicaciones fotónicas.

Las principales técnicas de reproducción de dispositivos basados en polímero son el moldeo por inyección, el estampado en caliente y el micromaquinado. Para la reproducción de nanodiseños, pueden utilizarse la tecnología de nanoimpresión (NIL) y la tecnología de nanoimpresión UV. Aparte de ello, se han creado técnicas de litografía suave tales como la impresión por microcontacto (CP) y el micromoldeo que ofrecen nuevas posibilidades de nanoestructuración.

Sin embargo, con el estampado en caliente es difícil reproducir características estructurales positivas y negativas debido a las diferentes condiciones durante el moldeo. Además, es difícil formar agujeros pasantes mediante el estampado en caliente. Los agujeros pasantes son necesarios, por ejemplo, en los microsistemas de pilas de combustible. El moldeo por inyección, en cambio, normalmente necesita equipos caros.

Para mejorar más las pilas de combustible, han de resolverse algunos problemas generales. Uno de los problemas es el suministro de combustible. El combustible debe ser transportado al ánodo, donde tiene lugar la reacción. Durante la reacción, se produce CO2, que debe transportarse fuera del sistema para evitar que suponga un obstáculo para el combustible. Por consiguiente, la separación del líquido y el gas y el transporte del gas fuera del dispositivo es un factor decisivo para la mejora de las pilas de combustible. Ambos problemas pueden resolverse explotando las propiedades humectantes de las superficies. Por ejemplo, el combustible utilizado en dichas aplicaciones puede ser fácilmente transportado al ánodo a través de canales hidrófilos. El CO2, por otro lado, puede separarse y transportarse fuera del dispositivo a través de canales hidrófobos. De este modo, un dispositivo que sea capaz de resolver esos problemas puede contener tanto canales hidrófilos como canales hidrófobos. Aparte de los problemas de transporte, debe suministrarse el combustible al sistema. Por lo tanto, debe haber integrado en dicho dispositivo también un agujero pasante para el suministro de combustible, lo que resulta difícil de formar con estampado en caliente.

En US 20060029858 A1 un medio de difusión para su uso en una pila de combustible PEM contiene zonas hidrófobas e hidrófilas para una mejor gestión del agua. Se utiliza un polímero hidrófobo como, por ejemplo, una fluororesina, para definir las zonas hidrófobas, y se utiliza un polímero electroconductor como, por ejemplo, la polianilina o el polipirrol, para definir las zonas hidrófilas. Sin embargo, deben utilizarse dos polímeros diferentes para formar dichos canales, lo que hace que el proceso de fabricación sea muy complejo.

DE 102 32 129 A1 revela un dispositivo de distribución de fluidos para un electrodo electroquímico, en el que se utilizan revestimientos para formar las zonas hidrófobas y las zonas hidrófilas. Sin embargo, un revestimiento presenta una vida útil limitada. Además, cada producto final debe cubrirse por separado con el revestimiento para producir las zonas hidrófobas y las hidrófilas.

La publicación de solicitud de patente US 2009/041986 A1 nos habla de la formación en primer lugar de nanoestructuras en un sustrato seguido posteriormente por la formación de capas microestructuradas sobre las nanoestructuras. Las microestructuras se forman mediante métodos litográficos. Estos métodos utilizan un efecto de ensombrecimiento para formar las estructuradas que no permite que se formen estructuras en las paredes laterales. El artículo jerárquico que se obtiene de esta manera puede utilizarse como molde para generar una réplica que posea una imagen en relieve negativo del artículo jerárquico original.

Resumen de la invención

Es por tanto objeto de la presente invención el de proporcionar un método para fabricar un sello o molde de polímero así como un dispositivo a partir del sello o molde de polímero, en el que las nanoestructuras y microestructuras estén incorporadas en el sello o molde y sean transferidas al dispositivo final a partir del sello o molde. Otro objeto es también el de proporcionar un dispositivo pasivo para un sistema de pila de combustible, que muestre zonas hidrófobas e hidrófilas de una manera simplificada y a menor coste para separar subproductos gaseosos de los combustibles líquidos.

Consiguientemente, en una primera realización, la presente invención proporciona un método para fabricar un sello o molde de polímero para la reproducción de dispositivos que constan de microestructuras y nanoestructuras, el método comprende los pasos de: disponer una lámina termoplástica, disponer un primer sustrato, configurar las nanoestructuras en la lámina termoplástica, configurar las microestructuras en el primer sustrato, cubrir la superficie del primer sustrato que comprende las microestructuras con la lámina termoplástica nanoestructurada, moldear un elastómero polimérico en el primer sustrato con nanoestructuras y microestructuras para formar un sello de polímero y desprender el sello de polímero.

El uso de la lámina tiene la ventaja de que las nanoestructuras pueden ser transferidas directamente a las microestructuras en todas sus dimensiones.

El paso de configurar nanoestructuras en la lámina termoplástica preferentemente comprende el paso de formar secciones hidrófilas a lo largo de una primera dirección y secciones hidrófobas a lo largo de una segunda dirección diferente organizando las nanoestructuras de tal manera que se extiendan a lo largo de una primera dirección, siendo la segunda dirección preferentemente perpendicular a la primera dirección.

El paso de configurar nanoestructuras en la lámina termoplástica comprende el paso de estampar en caliente las nanoestructuras en la lámina.

De forma alternativa, el paso de configurar nanoestructuras en la lámina termoplástica comprende los pasos de imprimir las nanoestructuras en la lámina termoplástica mediante litografía por nanoimpresión UV.

El paso de litografía por nanoimpresión UV comprende los pasos de formar una lámina termoplástica disponiendo una capa de material termoplástico, cubrir un lado de la capa de material termoplástico con una capa de material polimérico y cubrir el lado opuesto de la capa de material termoplástico con una capa de material de curado UV, hacer que hagan contacto un sello de polímero con cavidades de nanoestructuras y el lado de la capa de material termoplástico donde se aplica la capa de material de curado UV, rellenar las cavidades de nanoestructuras del sello de polímero con material de curado UV de la capa de material de curado UV, exponer el conjunto a radiación UV, y despegar el sello de polímero de la lámina termoplástica.

Puede formarse el sello de polímero con cavidades de nanoestructuras mediante los pasos de disponer un material de sustrato, cubrir el material de sustrato con una capa protectora,... [Seguir leyendo]

1. Método para fabricar un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que consten de microestructuras y nanoestructuras, comprendiendo el método los pasos siguientes:

disponer una lámina termoplástica (27) ; disponer un primer sustrato (1) ; configurar nanoestructuras (3) en la lámina termoplástica (27) ; configurar microestructuras (5, 6) sobre el primer sustrato (1) ; cubrir la superficie del primer sustrato (1) que comprende las microestructuras (5, 6) con la lámina termoplástica nanoestructurada (27) ; realizar el moldeo de un elastómero polimérico sobre el primer sustrato (1) con nanoestructuras (3) y microestructuras (5, 6) para formar un sello de polímero (11) ; desprender el sello de polímero (11) .

2. Método para fabricar un sello de polímero de la reivindicación 1, en el que el paso de configurar nanoestructuras

(3) en la lámina termoplástica (27) comprende el paso de:

formar secciones hidrófilas a lo largo de una primera dirección y secciones hidrófobas a lo largo de una segunda dirección diferente organizando las nanoestructuras (3) de tal manera que se extiendan a lo largo de una primera dirección, siendo la segunda dirección preferentemente perpendicular a la primera dirección.

3. Método para fabricar un sello de polímero de la reivindicación 1 ó 2, en el que el paso de configurar nanoestructuras (3) en la lámina termoplástica (27) comprende el paso de estampar en caliente nanoestructuras (3) en la lámina (27) .

4. Método para fabricar un sello de polímero de la reivindicación 1 ó 2, en el que el paso de configurar nanoestructuras (3) en la lámina termoplástica (27) comprende los pasos de imprimir las nanoestructuras (3) sobre la lámina termoplástica (27) mediante litografía por nanoimpresión UV.

5. Método para fabricar un sello de polímero de la reivindicación 4, en el que el paso de litografía por nanoimpresión UV comprende los pasos de:

formar una lámina termoplástica (27) proporcionando una capa de material termoplástico (27a) , cubrir un lado de la capa de material termoplástico (27a) con una capa de material polimérico (27b) y cubrir el lado opuesto de la capa de material termoplástico (27a) con una capa de material de curado UV (27c) , poner en contacto un sello de polímero (33) con cavidades de nanoestructuras y el lado de la capa de material termoplástico (27a) donde se aplica la capa de material de curado UV (27c) , rellenar las cavidades de nanoestructuras del sello de polímero (33) con material de curado UV de la capa de material de curado UV (27c) , exponer el conjunto a radiación UV, y despegar el sello de polímero (33) de la lámina termoplástica (27) .

6. Método para fabricar un sello de polímero de la reivindicación 5, en el que se forma el sello de polímero (33) con cavidades de nanoestructuras mediante los pasos de proporcionar un material de sustrato, cubrir el material de sustrato con una capa protectora, estructurar la capa protectora, revestir con un metal el sustrato recubierto, despegar el metal parcialmente para formar nanoestructuras y grabar el sustrato.

7. Método para fabricar un sello de polímero de cualesquiera de las anteriores reivindicaciones, en el que el paso de cubrir la superficie del primer sustrato (1) comprende el paso de deformar la lámina termoplástica (27) sobre las microestructuras (5, 6) mediante termoformación.

8. Método para fabricar un sello de polímero de cualesquiera de las anteriores reivindicaciones, en el que el paso de termoformación comprende el calentamiento del primer sustrato (1) con la lámina termoplástica (27) sobre él hasta una temperatura por encima de la temperatura de transición vítrea de la lámina (27) .

9. Método para fabricar un sello de polímero de una de las anteriores reivindicaciones, en el que el paso de configurar nanoestructuras (3) comprende al menos uno de los pasos de formar las nanoestructuras (3) como líneas y espacios que se extiendan en la primera dirección.

10. Método para fabricar un sello de polímero de una de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso de configurar microestructuras (5, 6) comprende al menos uno de los pasos de:

formar las primeras microestructuras (5) para que se extiendan a lo largo de la primera dirección para formar canales hidrófilos junto con las nanoestructuras (3) que se extiendan en dicha primera dirección, y formar las segundas microestructuras (6) para que se extiendan a lo largo de una segunda dirección diferente para formar canales hidrófobos junto con las nanoestructuras (3) que se extiendan en la primera dirección.

11. Método para fabricar un sello de polímero de cualesquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso 5 de configurar microestructuras comprende al menos uno de los pasos de:

cubrir el primer sustrato (1) con una segunda capa protectora (2) que sea fotoprotectora y llevar a cabo un proceso litográfico para formar microestructuras en la segunda capa protectora (2) , y formar un agujero pasante (7) a través de la segunda capa protectora (2) y el primer sustrato (1) .

12. Método para reproducir dispositivos que consten de microestructuras y nanoestructuras y que comprenden los pasos de:

moldear el material de un producto final sobre el sello de polímero (11) que consta de microestructuras (5, 6) y

nanoestructuras (3) producidas mediante cualesquiera de las reivindicaciones 1 a la 11, en el que las microestructuras (5, 6) y nanoestructuras (3) se transfieran durante el paso de moldeo al producto final (12) , y despegar el producto final (12) del sello de polímero (11) .

13. Método para reproducir dispositivos de conformidad con la reivindicación 12, en el que el material del producto final utilizado para moldear es un material polimérico.

14. Un sello de polímero (11) que está compuesto por:

unas primeras microestructuras (5) que se extienden a lo largo de una primera dirección, unas segundas microestructuras (6) que se extienden a lo largo de una segunda dirección diferente de la primera dirección, y unas nanoestructuras (3) que se disponen para extenderse al menos a lo largo de dicha primera dirección,

en el que las nanoestructuras (3) se configuran en al menos una superficie de las primeras y/o segundas microestructuras (5, 6) y están formadas del mismo material que las propias microestructuras (5, 6) , en el que la proporción dimensional de un único elemento nanoestructural es mayor de 5,

que se caracteriza en que

las nanoestructuras (3) se forman en la parte inferior y las paredes laterales de las primeras y/o segundas 35 microestructuras (5, 6) del sello de polímero (11) .

15. Un dispositivo que está compuesto por:

unos primeros microcanales (5) que se extienden a lo largo de una primera dirección,

unos segundos microcanales (6) que se extienden a lo largo de una segunda dirección diferente a la primera dirección, y unas nanoestructuras (3) que se disponen para extenderse al menos a lo largo de dicha primera dirección, en el que las nanoestructuras (3) se configuran en la superficie de los microcanales (5, 6) y están formadas

45 del mismo material que los propios microcanales (5, 6) , en el que la proporción dimensional de un único elemento nanoestructural es mayor de 5,

que se caracteriza en que

las nanoestructuras (3) se forman en la parte inferior y las paredes laterales de los primeros y/o segundos microcanales (5, 6) .