Método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, y dispositivo correspondiente.

Método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructurasy nanoestructuras,

comprendiendo el método las etapas de:

proporcionar un primer sustrato (1);

dar un patrón de nanoestructuras (3) que se extienden a lo largo de una primera dirección en el primermaterial de sustrato (1); seguido de

dar un patrón de microestructuras (5, 6) sobre el primer sustrato (1);

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

liberar el sello (11) de polímero,

caracterizado porque

la etapa de provisión de un patrón de microestructuras (5, 6) comprende al menos una de las etapas de:formar primeras microestructuras (5) para que se extiendan a lo largo de la primera dirección paraformar canales hidrófilos junto con las nanoestructuras (3) que se extienden en dicha primeradirección, y

formar segundas microestructuras (6) para que se extiendan a lo largo de una segunda direccióndiferente de la primera dirección para formar canales hidrófobos junto con las nanoestructuras (3) quese extienden en la primera dirección.

Método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, y dispositivo correspondiente Campo de la invención La presente invención se refiere a un método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, a un sello de polímero y a un dispositivo que comprende microestructuras y nanoestructuras. Particularmente, se refiere a microdispositivos que se podrían usar en un sistema de micropila de combustible como sistemas de suministro de combustible o sistema de gestión del agua con microestructuras y nanoestructuras. El dispositivo consiste preferiblemente en un polímero.

Antecedentes de la invención Diferentes campos de la tecnología, como la nanotecnología, biotecnología u óptica, necesitan técnicas de fabricación y materiales para el desarrollo futuro. Debido a una integración de nano-y microestructuras, se podrían lograr dispositivos muy funcionales en aplicaciones como la hidráulica, biochips o cristales fotónicos. Se conocen diferentes procedimientos de micro- y nanofabricación, y técnicas de microestructuras dimensionales. La necesidad creciente de dispositivos poliméricos ha conducido a una mayor importancia del micromaquinado a base de polímeros. Debido a la variedad de materiales poliméricos, ofrecen buena biocompatibilidad y resistencia química así como buenas propiedades ópticas para aplicaciones fotónicas.

Las principales técnicas de replicación de dispositivos a base de polímeros son el moldeo por inyección y el gofrado en caliente y el micromaquinado. Para la replicación de nanopatrones, se puede usar la tecnología de nanoimpresión (NIL) y la tecnología de nanoimpresión con UV. Además, se han adoptado técnicas litográficas suaves como la impresión de microcontacto (CP) y el micromoldeo, las cuales ofrecen nuevas posibilidades de nanoestructuración.

Sin embargo, con el gofrado en caliente es difícil replicar rasgos estructurales positivos y negativos, debido a las diferentes condiciones durante el moldeo. Además, es difícil formar orificios pasantes mediante gofrado en caliente. Los orificios pasantes son, por ejemplo, necesarios para sistemas de micropilas de combustible. El moldeo por inyección, por otro lado, requiere normalmente un equipo caro.

Para la mejora adicional de pilas de combustible, se han de resolver algunos problemas generales. Uno de los problemas es el suministro de combustible. El combustible se debe de transportar al ánodo, en el que tiene lugar la reacción. Durante la reacción, se produce CO2, que debe ser transportado fuera del sistema para evitar un impedimento para el combustible. Por lo tanto, la separación de líquido y gas y el transporte de gas fuera del dispositivo es un factor decisivo para la mejora de las pilas de combustible. Ambos problemas se pueden resolver aprovechando las propiedades humectantes de las superficies. Por ejemplo, el combustible usado en tales aplicaciones se puede transportar fácilmente al ánodo a través de canales hidrófilos. Por otro lado, el CO2 se puede separar y transportar fuera del dispositivo a través de canales hidrófobos. De este modo, un dispositivo que es capaz de resolver esos problemas puede contener canales tanto hidrófobos como hidrófilos. Además de los problemas de transporte, se debe de suministrar el combustible al sistema. Por lo tanto, se debe así mismo integrar en tal dispositivo un orificio pasante para el suministro de combustible, lo que es difícil de formar con el gofrado en caliente.

A partir del documento US 20060029858 A1, un medio de difusión para uso en una pila de combustible PEM contiene áreas hidrófobas e hidrófilas para la gestión mejorada del agua. Para definir áreas hidrófobas, se usa un polímero hidrófobo tal como una fluororresina, y para definir áreas hidrófilas se usa un polímero electroconductor tal como polianilina o polipirrol. Sin embargo, es necesario usar dos polímeros diferentes para la formación de tales canales, haciendo muy complejo el procedimiento de fabricación.

El documento DE 102 32 129 A1 describe un dispositivo de distribución de fluidos para un electrodo electroquímico, en el que se usan revestimientos para formar áreas hidrófobas e hidrófilas. Sin embargo, un revestimiento presenta un tiempo de vida limitado. Además, cada producto final necesita ser revestido separadamente con el revestimiento, a fin de producir áreas hidrófobas e hidrófilas.

El documento EP 1 495 799 A2 describe un dispositivo microfluídico formado en un sustrato polimérico. Patrones regulares de crestas, entallas o columnas proporcionan áreas de humectabilidad mejorada en un conducto fluídico del dispositivo.

El documento US 2009/0041986 A1 describe un método para obtener artículos jerárquicos que contienen nanorrasgos y microestructuras, proporcionando en primer lugar un sustrato que incluye nanorrasgos, y creando después microestructuras añadiendo una capa. El documento US 2009/0047478 A1 también describe un método para formar patrones jerárquicos sobre un artículo mediante nanoimpresión. Zhou et al (“An air-breathing siliconbased micro direct methanol fuel cell with a capillar y based water drawn out structure”, PROCEEDINGS OF TRANSDUCERS 2009, 21 de junio 2009 (2009-06-21) , - 25 de junio 2009 (2009-06-25) , páginas 648-651,

XP031545326, IEEE, PISCATAWAY, NJ, USA, ISBN: 978-1-4244-4190-7) describe una estructura de cátodo a base de capilar para micropilas de combustible de metanol directo que respiran aire. Se diseña un conjunto de capilares con superficies hidrófilas sobre los nervios de una ventana de cátodo para extraer el exceso de agua del cátodo.

Sumario de la invención Por lo tanto, es un objeto de la presente invención proporcionar un método para producir un sello de polímero así como un dispositivo a partir del sello de polímero, en el que se incorporan nanoestructuras y microestructuras en el sello y se transfieren al dispositivo final desde el sello. También es un objeto proporcionar un dispositivo pasivo para un sistema de pila de combustible, que muestra áreas hidrófobas e hidrófilas, de manera simplificada a menores costes, para la separación de subproductos gaseosos a partir de combustibles líquidos.

En consecuencia, en una primera realización, la presente invención proporciona un método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, comprendiendo el método las etapas de proporcionar un primer sustrato, dar un patrón de nanoestructuras que se extiende a lo largo de una primera dirección en el primer material de sustrato, seguido de la provisión de un patrón de microestructuras sobre el primer sustrato, moldear un elastómero de polímero sobre el primer sustrato con nanoestructuras y microestructuras para formar un sello de polímero, y liberar el sello de polímero. La etapa de provisión de un patrón de microestructuras comprende al menos una de las etapas de formar primeras microestructuras para extenderlas a lo largo de la primera dirección para formar canales hidrófilos junto con las nanoestructuras que se extienden en dicha primera dirección, y formar segundas microestructuras para extenderlas a lo largo de una segunda dirección diferente de la primera dirección para formar canales hidrófobos junto con las nanoestructuras que se extienden en la primera dirección.

El procedimiento tiene la ventaja de que las nanoestructuras se forman directamente sobre la superficie del sustrato. El sustrato consiste preferiblemente en un único material o un compuesto de material, pero también puede comprender diferentes capas de materiales. Usando un método de moldeo en el sustrato con nanoestructura y microestructura, las nanoestructuras y microestructuras se pueden transferir directamente al sello de polímero a costes bajos. La integración directa de áreas nanoestructuradas en microdispositivos mejora la funcionalidad del dispositivo, por ejemplo la formación de estructuras antirreflectantes para aplicaciones ópticas, o el cambio de propiedades humectantes en microcanales.

Además, la invención se refiere a un método para reproducir dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, que comprende las etapas de moldear un material producto final sobre el sello de polímero con microestructuras y nanoestructuras producidas según la invención como se describe anteriormente, en el que las microestructuras y nanoestructuras se transfieren durante la etapa de moldeado al producto final, y liberar el producto final del sello de polímero. El producto o dispositivo final es también preferiblemente un dispositivo polimérico.... [Seguir leyendo]

1. Método para producir un sello de polímero para la reproducción de dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, comprendiendo el método las etapas de:

proporcionar un primer sustrato (1) ; dar un patrón de nanoestructuras (3) que se extienden a lo largo de una primera dirección en el primer material de sustrato (1) ; seguido de

dar un patrón de microestructuras (5, 6) sobre el primer sustrato (1) ;

moldear un elastómero de polímero sobre el primer sustrato (1) con nanoestructuras (3) y microestructuras (5, 6) para formar un sello (11) de polímero; y liberar el sello (11) de polímero, caracterizado porque la etapa de provisión de un patrón de microestructuras (5, 6) comprende al menos una de las etapas de:

formar 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 extienden en dicha primera dirección, y

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

2. Método para producir un sello de polímero de la reivindicación 1, en el que la etapa de provisión de un patrón de microestructuras (5, 6) comprende además al menos una de las etapas de:

formar las primeras microestructuras (5) con una anchura d.

5. 500 !m, preferiblement.

10. 200 !m, y una altura de 10-1000 !m, preferiblement.

5. 200 !m, y

formar las segundas microestructuras (6) con una anchura de 1-100 !m, preferiblemente 5-50 !m, y una altura de 10-1000 !m, preferiblement.

5. 200 !m.

3. Método para producir un sello de polímero de una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la etapa de provisión de un patrón de nanoestructuras (3) comprende al menos una de las etapas de:

formar las nanoestructuras (3) con un espaciado de 70 nm-350 nm, preferiblement.

50. 1000 nm y/o una sección transversal de la estructura que es de forma triangular, rectangular o de columna, y

formar la nanoestructura (3) como líneas y espacios que se extienden en la primera dirección.

4. Método para producir un sello de polímero de la reivindicación 1, en el que la etapa de provisión de un patrón de nanoestructuras (3) en el primer material de sustrato (1) comprende las etapas de:

cubrir el primer sustrato (1) con una primera materia protectora (2) ; transferir nanoestructuras (3) a la primera materia protectora (2) por medio de procedimientos de nanolitografía;

cubrir el primer sustrato (1) con la primera materia protectora nanoestructurada (2) con una capa metálica;

eliminar la primera materia protectora (2) y el metal encima de la primera materia protectora (2) , en el que las áreas del primer sustrato (1) sin la materia protectora (2) permanecen cubiertas por el metal; formar nanoestructuras (3) en las partes del primer sustrato (1) no cubiertas con el metal grabando la

superficie del primer sustrato (1) usando el metal que queda como una máscara; eliminar el metal del primer sustrato (1) .

5. Método para producir un sello de polímero de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la etapa de provisión de un patrón de microestructuras comprende al menos una de las etapas de:

cubrir el primer sustrato (1) con una segunda materia protectora (2) que es una materia fotorresistente, y llevar a cabo un procedimiento litográfico para formar microestructuras en la segunda materia protectora (2) , y

formar un orificio pasante (7) a través de la segunda materia protectora (2) y el primer sustrato (1) .

6. Método para producir un sello de polímero de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elastómero polimérico comprende polidimetilsiloxano.

7. Método para reproducir dispositivos que comprenden microestructuras y nanoestructuras, que comprende las etapas de:

moldear un material de producto final sobre el sello (11) de polímero que comprende microestructuras (5, 6) y nanoestructuras (3) producidas mediante cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las microestructuras (5, 6) y nanoestructuras (3) se transfieren durante la etapa de moldeado al producto final (12) , y

liberar el producto final (12) del sello (11) de polímero.

8. Método para reproducir dispositivos según la reivindicación 7, en el que el material de producto final usado para el moldeo es un material polimérico.

9. Dispositivo que comprende: primeros microcanales (5) que se extienden a lo largo de una primera dirección, segundos microcanales (6) que se extienden a lo largo de una segunda dirección, diferente de la primera

dirección, y

nanoestructuras (3) formadas al menos en la parte inferior de los primeros y segundos microcanales (5, 6) y proporcionados para extenderse al menos a lo largo de dicha primera dirección, caracterizado porque se proporciona un orificio pasante (7) que se extiende desde una superficie del dispositivo (12) para estar en comunicación con los microcanales (5, 6) ,

las nanoestructuras (3) y los primeros y segundos microcanales (5, 6) forman canales hidrófilos a lo largo de la primera dirección, y canales hidrófobos a lo largo de la segunda dirección, y las nanoestructuras (3) se proporcionan en forma de patrón en la superficie de los microcanales (5, 6) y están formadas del mismo material que los propios microcanales (5, 6) .

10. Dispositivo de la reivindicación 9, en el que el dispositivo consiste en un único material polimérico o un compuesto de un único material polimérico.

11. Dispositivo de la reivindicación 9 ó 10, en el que las nanoestructuras (3) : están adaptadas para proporcionar ángulos de contacto para un fluido contenido en él de 0º-90º,

preferiblement.

30. 75º a lo largo de la primera dirección, .

90. 160º, preferiblement.

11. 150º a lo largo de la segunda dirección, y/o tienen un espaciado de 70 nm-3500 nm, preferiblement.

50. 1000 nm; y/o se proporcionan con una sección transversal que tiene forma triangular, rectangular o de columna; y/o se proporcionan como líneas y espacios que se extienden en la primera dirección.

12. Dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que

los primeros microcanales (5) tienen una anchura d.

5. 500 !m, preferiblement.

10. 200 !m, y una altura de 10-1000 !m, preferiblement.

5. 200 !m; y/o los segundos microcanales (6) tienen una anchura de 1-100 !m, preferiblemente 5-50 !m, y una altura de 101000 !m, preferiblement.

5. 200 !m.

13. Uso del dispositivo de una de las reivindicaciones 9 a 12 como un sistema de suministro de combustible de una micropila de combustible, en el que los primeros microcanales (5) son microcanales de suministro de combustible, y los segundos microcanales son microcanales de escape de gas, y el orificio pasante es un orificio de combustible.

14. Uso del dispositivo de una de las reivindicaciones 9 a 12 como un sistema de gestión de agua de una micropila de combustible, en el que los primeros microcanales (5) son microcanales de salida del agua, los segundos microcanales (6) se usan como suministros de agentes reaccionantes, y el orificio pasante (7) es una salida de agua.