新技術：新型撥液の表面性能が再び向上

頑丈耐久型撥液表面の応用の見通しは素晴らしいが、それを大規模に普及させる前に、いくつかの問題を解決する必要がある。耐久性評価方法の合理的な選択と統一化問題を解決し、耐久性向上の策略を最適化し、優れた撥液表面加工方法を開発することは、堅牢耐久型撥液表面の工業化応用を推進する上で重要な意義がある。

ハスの葉は「泥を出して染めない」、豚かご草はそれに触れた昆虫をかごの中に「滑らせる」、尾弾虫は水や油の表面に浮遊することができ、魚が水中にいると油類が体の表面に付着しない……これらの動植物が「超能力」を持っているのは、撥液表面があるからだ。

撥液表面は防水、自己洗浄、凍結防止、腐食防止、流動体操制御、生物医学などの面で巨大な応用の将来性を示し、生体模倣製造、マイクロフロー制御などの分野の学者の広範な関心を集めている。しかし、多くの撥液表面の耐久性は比較的悪く、現実環境では破壊されやすく撥液性を失い、その実用的な応用を大幅に制限している。

科学研究者は撥液表面の耐久性という問題に対して大量の研究作業を展開し、そして多くの画期的な成果を得た。天津大学機械学院の陳発沢講師はこのほど、国際定期刊行物「化学学会評論」に総説を発表し、近年の頑丈耐久型撥液表面の研究現状をまとめ、当期の表紙論文に選ばれた。

生物を参考にして、排液表面の「超能力」を明らかにする

ハスの葉は優れた自己洗浄性能を持っており、その表面は超疎水性を持っており、水滴はハスの葉の表面で球状を呈し、転がりやすく、付着したほこりを取り除くためである。豚籠草の瓶状捕虫ケージ内壁は典型的な液体灌流超滑表面である、尾弾性虫は湿気のある環境で生存することができ、その表皮の超疎油性のおかげである、魚類はうろこ表面が水層をしっかり吸着しているため、油類が表面と直接接触できず、さらに水の下で超撥油性を表現している……表現はそれぞれ異なるが、超撥水性、超撥油性などの性能を持つ表面はすべて撥液表面に属している。

「撥液表面とは、液体に濡れにくく、その上で液滴が転がり落ちやすい表面を指し、主に超撥水表面、超撥油表面、液体注入された超滑り表面などを含む」。陳発沢は言った。

近年、研究者はこれらの生物の啓発を受けて、撥液表面に対して広く深い研究を行い、撥液表面の生体模造製造、マイクロナノ加工、表面工学、界面化学などの分野での発展を極めて豊富にした。

「撥液表面のマイクロナノ粗構造と特殊化学成分は、撥液性を持たせる」陳発沢氏は、空気中の超疎水性と超疎油表面はマイクロナノスケールの粗い構造と低表面エネルギーの化学成分などの特徴を持っていると説明した。このような表面と試験液体との接触時に固液間に空気層（エアマットとも呼ばれる）が形成され、液体の粗い構造への浸透を阻害し、かつ液−気接触面積が固液接触面積よりはるかに大きく、液体がこのような表面を濡らすことができないため、超疎水性または超疎油性を示す。水中の超疎油表面と液体注入の超滑面にとって、その微細な納粗構造は水または注入された潤滑液体をしっかりとロックし、その表面に安定した液体層を形成することができる。液体層と相互溶解していない試験液体がこのような表面に接触すると、液体層は表面と試験液体との直接接触を効果的に阻害し、水中の超撥油性または超滑り特性を持たせることができる。

したがって、撥液表面を加工する鍵は、適切なマイクロナノ粗構造を構築し、適切な特殊化学成分を調合して、このような表面と試験液体が接触したとき、両者の間に空気層または不互溶液体層が存在することを保証することにある。

優れた撥液性と極小の固液接触面積のおかげで、撥液表面は防水、自己洗浄、流体抵抗低減、凍結防止、腐食防止、流体操制御、油水分離、生物堆積防止、熱伝達強化、高感度化学及び医学検査、流体エネルギー変換発電などのシーンにおいて大きな応用の将来性を持っている。

短板を補充し、撥液表面の強固な耐久性を高める

近年、撥液表面に関する研究は大きな進展を遂げたが、多くの撥液表面は強度が低く、耐久性が悪く、現実環境で破壊されやすく撥液性を失っている。頑丈な耐久性の欠如は撥液表面の大規模な普及と工業化応用を大きく制限した。

陳氏によると、防水傘を例に、ハスの葉を模した超疎水表面は防水傘の製作に応用されているが、高速雨滴の衝突、折り曲げ、摩擦などの実際の応用で遭遇しやすい場面はいずれも超疎水表面を失効させる可能性があり、防水傘の性能と耐久性に影響を与え、この種の防水傘の大規模な普及が困難になっている。海工装備を例にとると、超疎水表面または超滑表面は船体に抵抗力を減少させ、生物堆積を防止することができるが、上述の表面は海水に浸漬すると腐食と浸透されやすく、撥液性は長く維持できないため、海工装備分野で広く応用されることは難しい。そのため、撥液表面の耐久性を高め、撥液表面の応用を制限する一連の問題を解決することは、その実用的な応用を推進する上で非常に重要な意義がある。

「撥液表面の耐久性は主に熱力学的耐久性、機械的耐久性、化学的耐久性の3つの側面を含む。」陳発沢氏は述べた。熱力学耐久性は液表面の空気層または液体層の拡散、蒸発、凝縮などの熱力学過程における安定性を指し、一般的に水衝撃圧力、浸漬、蒸気凝縮、液滴蒸発、重力ドレナージなどの方法を増加することによって評価することができ、機械耐久性撥液表面は外力の作用下でその濡れ性を維持する能力があり、一般的には接線摩耗、動的衝突、テープのはく離、基体の変形などの方法によってテストすることができる、化学耐久性撥液表面の各種化学因子の作用下での安定性は、一般に酸塩基塩腐食、紫外光照射、活性粒子処理、有機溶媒浸漬、高低温処理などの方法によって試験することができる。

近年、研究者は材料表面構造と成分の調整に基づいて、撥液表面の耐久性を高める四つの種類の策略を提案した。

第1のクラスは、基材または表面化学成分を最適化することにより、耐久性の良い基材または表面修飾剤を選択し、さらに撥液表面の機械的耐久性と化学的耐久性を効果的に改善することである。

2つ目は、特殊なマイクロナノ構造を設計することです。例えば、微細構造の幾何形状と寸法パラメータを最適化し、微細構造の機械的強度を高め、撥液表面の機械的耐久性を改善する、撥液表面の空気層または液体層の安定性を高め、その熱力学的安定性を高めるために凹角構造またはナノ構造を設計する、自己相似マイクロナノ構造を通じて、撥液表面を機械的摩耗または化学腐食が発生した後に元表面と類似の粗い構造と化学成分を暴露させ、それによって撥液性を維持する、マイクロナノ複合構造では、機械的強度が比較的高いマイクロ構造が「鎧」のような役割を果たし、脆弱なナノ構造を保護し、撥液表面の機械的耐久性を改善する。

第3類は、接着層支援などの方法により、撥液コーティングと基材との間の接続強度を強化し、それにより当該撥液表面の機械的耐久性と化学的耐久性を著しく向上させる。

第4類は自己治癒性を有する撥液表面を製造し、撥液表面が撥液性を失った後に自ら回復することができ、撥液表面の永久失効を回避することである。

将来性が明るく、大規模な普及には依然として複数の問題を解決する必要がある

頑丈耐久型撥液表面に関する技術の持続的な発展に伴い、動植物の「超能力」を利用して、撥液表面を日常生活、機械、エネルギー、化学工業、生物、材料などの分野に応用することが期待されている。例えば、防水自己洗浄織物と建築物、減衰耐腐食水中航行器と流体輸送管路、凍結耐除氷航空機翼、自己洗浄太陽電池カバー、高感度アレイセンサーなど。

「堅牢耐久型撥液表面の将来性は素晴らしいが、それを大規模に普及させる前に、いくつかの問題を解決する必要がある」。陳発沢は思った。

まず、頑丈耐久型撥液表面の耐久性評価方法の合理的な選択と統一化という問題を解決する。この問題の解決は、堅牢耐久型撥液表面領域の規範化発展を推進する上で重要な役割を果たすだろう。「頑丈耐久型撥液表面耐久性の評価方法は実際の応用場面に基づいて合理的に選択しなければならない。例えば、超疎水建築物の屋根はまず雨滴衝撃、酸性雨腐食、紫外光照射などの面での耐久性を考慮しなければならない」。陳発沢は説明した。

次に、堅牢耐久型撥液表面の耐久性を向上させるための戦略を最適化する。このような表面耐久性に対する既存の戦略の改善は限られており、多くは熱力学耐久性、機械耐久性、または化学耐久性の3つの側面のうちの1つだけに焦点を当てている。既存の方法を巧みに最適化し、既存の戦略の相乗作用を発揮できれば、撥液表面の耐久性をさらに高め、頑丈耐久型撥液表面の実用的な応用を推進することが期待される。

最後に、頑丈耐久型撥液表面の低コスト、緑色、大面積の優れた加工方法を開発する。現在の大量頑丈耐久型撥液表面の加工方法の多くはプロセスが複雑で、コストが高く、環境汚染が深刻であるなどの問題がある。これらの問題は、堅牢耐久型撥液表面の大面積加工と実用化を制限する。

「簡単、低コスト、緑色、規模化生産可能な撥液表面加工方法を開発することは、堅牢耐久型撥液表面の工業化応用を推進する上で重要な意義がある」。陳発沢氏は述べた。