超疎水性材料とは何ですか?

超疎水性材料は、水に対して反発性のある材料であり、水滴がその表面で滑って広がり、球形を維持することはないので、転がりセルフクリーニングの効果が得られる。濡れ性は、固体材料の表面の重要な特性の1つです。材料の表面湿潤特性を決定する重要な要素には、材料の表面の化学組成と表面の微視的形状が含まれます。したがって、科学者は、150°を超える静的水接触角と、超疎水性表面と呼ばれる10°未満の回転角を持つ表面を持っています。超疎水性材料は、一般にマイクロナノ複合構造と低表面エネルギー化学物質を有し、これは超疎水性材料になるための前提条件でもあります。セルフクリーニング、油水分離、耐食性、防氷、防曇の優れた特性により、超疎水性表面は近年、材料科学者に好まれており、多くの科学者が超疎水性材料の研究。
実際、2000年以上前に、スラッジ内でいくつかの植物が育つことがわかりましたが、その葉はほとんどいつもきれいで、典型的な例は蓮の葉です。蓮の花は通常、沼地や浅瀬で育ちますが、「汚泥で染色されない」という特徴があるため、蓮の花は何千年もの間、純粋さの象徴でした。ハスの葉のほこりや汚れは、露や雨によって簡単に流され、表面がきれいに保たれます。科学者たちはこのサブクリーニング現象を「ロータス効果」と呼んでいます。
しかし、蓮の葉が常にきれいに保たれるメカニズムは、1960年代半ばに走査型電子顕微鏡(SEM)が開発されるまで知られておらず、蓮の葉の秘密が次第に明らかにされていきました。 1977年、ドイツのベルン大学のBarthlottとNeinhuisは、走査型電子顕微鏡によって蓮の葉の表面構造を研究しました(図1を参照)。ハスの葉の表面のミクロンの乳様突起構造とワックス物質がその自動洗浄機能の鍵であることが明らかになりました。彼らは、結果として生じる「葉の効果」は、ワックス状物質などの表面エネルギーの低い材料と、乳状プロセスのミクロンの粗い構造の組み合わせによって引き起こされると考えています。
研究により、多数のミクロンサイズのワックス状マイクロエマルション構造がハスの葉の表面に分布していることが示されています(図1(a))。多数のナノスケールの微細分岐構造が各乳様突起に分布しています(図1(b))。また、ハスの葉の表皮にはワックス状の立体的な細い管がたくさんあります(図1(c))。このようなマイクロナノ複合構造により、水滴と蓮の葉の表面との間の接触面積が低くなります。したがって、ハスの葉の表面ワックス成分とマイクロ/ナノ複合構造が協働して、ハスの葉に独特の超疎水性と低い付着力を与えます。蓮の葉の水の接触角と転がり角はそれぞれ約160°と2°です。蓮の葉の表面の水滴はほぼ球形であり、蓮の葉の表面のほこりを取り除きながら、あらゆる方向に自由に転がることができ、優れたセルフクリーニング効果を示します(図1(d))。ロータス効果、つまり自己洗浄面は、水との接触角が150°より大きい場合に強力な汚染防止能力を発揮します。つまり、ほこりなどの表面の汚染物質は、落下する水滴なしで運び去られます。痕跡を残します。

自然からバイオニクスへ:超疎水性材料の過去と現在1

図1蓮の葉表面のSEM画像
蓮の葉に加えて、超疎水性である多くの動植物があります。米の葉の水滴は、蓮の葉の表面の水滴よりも個性的です。蓮の葉の表面の水滴は、どの方向にも転がることができますが、米の葉の水滴は、刃の成長方向に転がりやすく、縦方向には転がりにくいです。これは、イネの葉が線状に並んだ突起と一次元的な溝構造を持っているためです(図2(a))。ブレードの成長に対して水平な方向では、液滴のローリング角度は3°〜5°であり、垂直方向では、ローリング角度は9°〜15°です。イネの葉の表面の乳様突起構造の線形配置は、両方向に浸透するさまざまなエネルギー障壁を液滴に提供します。蝶の羽と同様に、蝶の羽が広げられると、水滴は軸の軸に沿って回転し、水滴が蝶の体を濡らさないようにします。蝶の羽は軸の軸に沿って配向された多数のマイクロナノスケールで覆われていることがわかります(図2(b))。この指向性の高いマイクロナノ構造は、水滴のぬれ挙動に効果的に影響するため、水滴は反対方向に埋め込まれている間、半径方向に容易に転がることができます。羽の羽ばたきの姿勢や羽の表面を通過する空気の方向を制御することで、2つの異なる状態を調整することができます。この異方的な接着により、湿度の高い環境で蝶の羽を一方向に洗浄でき、飛行中の安定性を確保し、ほこりの蓄積を回避します。
簡単に転がすことができる蓮の葉の表面の小さな水滴とは異なり、バラの花びらの小さな水滴は表面に付着する傾向があります。バラの花びらの微視的な調査を通じて、科学者はバラの花びらの表面がミクロンサイズの乳様突起で構成されていることを発見しました。一方、乳様突起の先端には多くのナノスケールの折りたたみ構造があり、このナノ折りたたみ構造が結果ですバラの花びらの高い付着力。重要な要素(図2(c))。ガスはナノ折りたたみ構造に存在する可能性がありますが、水はマイクロ乳房の間を容易に浸透できます。バラの花びらと同じものがヤモリの足裏です。ヤモリの足裏は超疎水性で自己洗浄性ですが、科学者を興奮させるのは、ヤモリの足裏が滑らかな表面上を自由に移動する超粘着能力があることです。これは、何百もの小さなナノスケールの端で構成される、ヤモリの足裏の表面にある整列した微細化された剛毛によるものです(図2(d))。ヤモリ剛毛のナノチップと固体表面の間の接触によって生成されるファンデルワールス力は、ヤモリがさまざまな角度で這うためのサポートです。
蚊の複眼はきつい六角形の小さな目で配置され、きつい六角形の突起がそれぞれの小さな目に配置されます(図2(e))。このユニークな複合構造により、蚊の複眼は非常に疎水性になります。蚊が霧の多い環境にさらされた場合、蚊の目の表面に非常に小さな液滴が形成されず、蚊の目の周りの毛羽に大量の液滴が凝縮していることがわかります。この非常に疎水性の性質により、液滴が蚊の目の表面に付着して凝集するのを防ぎ、蚊にはっきりと見えるようにします。この発見は、乾式防曇表面材料の開発に刺激的な研究アイデアを提供します。
カワウソは簡単に歩いたり、水の上をジャンプしたりすることができます。その秘密は、毛むくじゃらの脚の強力な超疎水性です。カワウソが水面に立つと、その足は水面を貫通するのではなく、深さ約4 mmの渦を形成します。各脚には、その重量の約15倍を支えることができる強力で耐久性のある超疎水性力があります。同時に、リーチの脚の特別な微細構造も見つかり、多数の秩序立った帯状の微細構造がリーチの脚を覆い、これらの微細構造は約20°の角度で配向されていました。各マイクロストリップ構造は、らせん状のナノ溝で構成されています(図2(f))。このユニークな層状マイクロナノマルチスケール構造は、ヒルの脚と水面の間のガスを効果的に捕捉して、強力なガス膜を形成します。カワウソの足の頑丈で超疎水性の能力は、新しい水生機器の設計に影響を与えます。

自然からバイオニクスへ:超疎水性材料の過去と現在2

図2異なる動物の異なる微細構造
自然の啓示:セルフクリーニング表面の「ロータス効果」から超疎水性表面の構築まで
人間法、地球法、天国と法、タオ法は自然です。自然に超疎水性の植物の葉を研究することにより、超疎水性表面の準備には2つの条件が必要であることがわかります。1つは、材料の表面の表面エネルギーが非常に低いことです。もう1つは、固体材料の表面に一定の粗さがあり、ミクロンがあることです。そしてナノの二重構造。
固体表面の静的接触角から、固体表面の撥液性を決定する鍵は、材料の表面の化学組成にあり、表面の粗さはこの効果を高めるだけです。したがって、超疎水性固体表面を構築する場合、それは一般に、低表面エネルギー表面上に粗面を構築するか、または粗面上の低表面エネルギー物質を修飾することである。最初に、人々は低表面エネルギー材料の調製を研究し始め、最低の表面エネルギーをもつ固体材料がシロキサンとフッ素含有材料であることを発見しました。なかでもフッ素系材料が最も優れており、その表面エネルギーはシロキサンに比べて約10mN / m低く、フッ素は水素を除くすべての元素の中で最小の原子半径です。電気陰性度が高く、フルオロカーボン結合エネルギーが高く、凝集エネルギーが低く、熱安定性と化学的安定性が高い。耐熱性、耐候性、耐薬品性、低屈折率などの特徴があります。材料の表面-CF3グループが六角形の密に詰められた順序で積み重ねられると、固体表面の表面張力は6.7 mJ / m 2と最も低くなります。したがって、現在低表面エネルギーで調製されている材料のほとんどは、主にフッ素含有材料です。さらに、人々は表面構造を制御して超疎水性コーティングを調製するためのさまざまな方法を試み始めました。現在、層ごとの自己組織化法、物理的または化学的蒸着法、エッチング法、テンプレート法、静電スプレー法、およびゾルゲル法が一般的に使用されています。
超疎水性材料の機会と課題:耐久性と透明性
超疎水性材料は実際の使用において幅広い用途の見通しを持っていますが、実際に超疎水性の広範な用途を実現することにはまだ多くの困難があり、最大の課題は耐久性と透明性です。疎水性コーティングは基材への接着性が低く、粗い構造も非常に壊れやすいです。表面が衝撃や摩擦などの機械的影響を受けると、簡単に損傷して超疎水性を失います。したがって、安定した減摩性を備えた超疎水性コーティングまたは自己修復機能を備えた超疎水性表面の開発は、超疎水性材料の研究分野において緊急の問題となっています。一般に、超疎水性を得るためには、表面にある程度の粗さがあり、粗さが大きいほど屈折率が大きくなり、透明度が低くなります。これは、超疎水性材料の光学デバイスへの適用を大きく制限します。

結論

自然からバイオニクスまで、蓮の葉から始まって今日まで開発された超疎水性材料。科学者は自然の探索を止めたことはありません。自然への探求が深まるにつれ、自然への理解も深まり、超撥水性の分野は確実に進展すると思います。

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