Способ получения наноразмерных ворсистых материалов
Владельцы патента RU 2690816:
Российская Федерация, от имени которой выступает федеральное государственное казенное учреждение "Войсковая часть 68240" (RU)
Способ по изобретению относится к области изготовления сухих адгезивов для создания достаточно прочной связи между поверхностями соединяемых тел, когда на поверхности как минимум одного тела создается массив отдельно стоящих ворсинок. Способ получения наноразмерных ворсистых материалов, который реализуется путем выполнения следующих операций - формирование слоя многоуровневых ворсинок из фоточувствительного полимера формированием с помощью 3-D литографа структур ворсинок с заданными высотами, диаметрами и углами наклонов в каждом уровне, проявление структур ворсинок путем «вымывания» остатков полимера с помощью растворителей. Технический результат, достигаемый при использовании способа по изобретению, заключается в том, что упрощается процедура формирования массива ворсинок при повышении сил адгезии и адаптивности к опорной поверхности.
Настоящее изобретение относится к области изготовления сухих адгезивов для создания достаточно прочной связи между поверхностями соединяемых тел, когда на поверхности как минимум одного тела создается массив отдельно стоящих ворсинок соответствующих размеров, каждая из которых при сближении контактных поверхностей начинает взаимодействовать с атомами или молекулами на опорной поверхности второго тела при достижении соответствующей дистанции между ними, которая имеет наноразмерный масштаб.
Известен способ получения НВМ с помощью наноимпритинга или нанопечати, который включает следующие операции:
(a) - с помощью специально подготовленного зонда атомно-силового микроскопа формируется топологический рисунок в исходной матрице (воск или парафин). Зонд выполняет роль штампа;
(b) - полученную матрицу заливают полимером, затем сшивают его;
(c) - отслаивают полимерную пленку с образовавшейся на ней структурой.
Существуют различные модификации этого способа получения НВМ. Например, метод, в котором формирование «формы для отливки» было выполнено при помощи литографии и плазмохимического травления кремниевой подложки.
Другой способ получения НВМ основан непосредственно на электронной литографии и плазмохимическом травлении, которые являются базовыми в микроэлектроники и поэтому на сегодняшний день наиболее отработаны. С помощью электронной литографии на полиимидной структуре формируется маска, после чего проводится изотропное плазмохимическое травление полиимида, в результате чего получается массив ворсинок микронного размера. Минимальные размеры ворсинок, получаемых по этой технологии, диаметр - 0,4 мкм, высота - 2 мкм, шаг - 1 мкм.
Общий недостаток приведенных способов, состоит в том, что формируемые ворсинки представляют собой столбики расположенные перпендикулярно поверхности, относительно короткие, толстые и редко стоящие в массиве по площади. Это связано с тем что, в случае формирования сравнительно длинных, тонких и близко стоящие ворсинок они слипаются между собой, как показано на рисунке ниже, под действием тех же сил Ван дер Ваальса, которые определяют полезную «липучесть» ворсинок к опорной поверхности. Отсюда получаем сравнительно низкий уровень сил адгезии обусловленный относительно низкой плотностью ворсинок на поверхности.
Наиболее близким способом, принятым за прототип, является способ по патенту US 2006005362 согласно которому для повышения адгезионных сил на поверхности формируются согласно патенту, так называемые, «иерархические структуры», представляющие собой массив многоуровневых ворсинкок, в частности двух-трехуровневых. Такие ворсинки представляют собой отдельно стоящие на базовой поверхности первого тела «столбики - ножки» первого уровня на которых на поверхности обращенной в сторону контактного тела сформированы «столбики - ножки» второго уровня меньшей высоты и диаметра, чем на первом уровне, а на ножках второго уровня выполнены аналогичные структуры третьего уровня, соответственно, меньшей высоты и диаметра, чем на втором уровне. Формирование таких структур согласно патенту прототипа может быть выполнено последовательным выполнением целого ряда технологических операций, формирующих последовательно первый второй и последующие уровни многоуровневых ворсинок.
Недостатком способа получения нановорсистого материала, описанного в прототипе, является сложность процесса получения материала, требующего выполнения многих операций. При этом геометрические параметры структур ворсинок, как минимум углы наклона, на одном уровне получаются одинаковыми.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения нановорсистого материала, упрощающего процедуру формирования массива ворсинок, при повышении сил адгезии и адаптивности к опорной поверхности.
Поставленная задача решается за счет того, что массивы микро- и наноразмерных ворсинок формируют с применением методов 3-х мерного структурирования с помощью трехмерного 3-D литографа, варьируя топологию - высоту, форму и углы наклона многоуровневых ворсинок таким образом, чтобы обеспечить высокий уровень адгезии к поверхностям с различным рельефом и повысить адаптивности массива ворсинок к рельефу опорной поверхности за счет увеличения общей высоты ворсинок и общего числа точек соприкосновения с возникающими контактными силами притяжения между поверхностями. При этом каждой ворсинке, или группам ворсинок в общем массиве может быть задано индивидуальное распределение высот, диаметров и углов наклонов ножек по структурным уровням ворсинок путем программирования работы 3-D литографа.
Существенным признаком, отличающий заявленное изобретение, является возможность создания на слое фоточувствительного полимера массива 3-х мерно структурированных ворсинок с использованием трехмерного 3-D литографа, позволяющего в одном процессе формировать массивы двух - трех уровневых структур с заданными индивидуальными геометрическими параметрами каждой ворсинки или групп ворсинок в общем массиве.
Предложенный способ формирует массивы 3-х мерно структурированных ворсинок с заданными геометрическими параметрами - распределением по структурным уровням высот, диаметров и углов наклона. При этом каждой ворсинке, или группам ворсинок в общем массиве может быть задано индивидуальное распределение высот, диаметров и углов наклонов ножек по структурным уровням ворсинок. Способ формирования многоуровневых ворсинок реализуется путем выполнения следующих операций - формирование слоя фоточувствительного полимера, например, IP-L780 с помощью любой из известных процедур, формирование с помощью 3-D литографа структур ворсинок с заданными высотами, диаметрами и углами наклонов в каждом уровне, проявление структур ворсинок путем «вымывания» остатков полимера с помощью растворителей.
В результате реализации предложенного метода могут быть получены структурированные многоуровневые ворсинки общей высотой до 300 мкм, с заданным числом на последнем уровне контактных ворсинок диаметром до 100 нм и высотой до (1-10) мкм, причем предложенный метод позволяет изменять соотношения высот, диаметров и наклона ворсинок в любом структурном уровне каждой из ворсинок или групп ворсинок в общем массиве путем программирования работы 3-D литографа.
Способ получения наноразмерных ворсистых материалов, заключающийся в формировании слоя полимера, формировании двух-трехуровневой структуры ворсинок, отличающийся тем, что процесс формирования массива многоуровневых 3-х мерно структурированных ворсинок с индивидуальным заданием распределения высот, диаметров и углов наклона ворсинок или групп ворсинок по уровням выполняют с помощью 3-D литографа с последующим проявлением структур ворсинок путем вымывания остатков полимера с помощью растворителей.
