Adv Funct Materials誌：精密3DPによるマイクロキノコ状のバイオニック超撥水表面の製作
ハスの葉、羽毛、蝶の羽、バラの花びらなど、自然界には多くの撥水現象が存在する。 これらの天然の超撥水表面は、静的接触角 (CA) が 150°以上であり、水滴が付着して液膜を形成することなく、その表面で跳ね返ることができる。
過去数十年間、液滴の超撥水表面での跳ね返りは研究者から広く注目を集め、水の輸送、自己洗浄、凍結防止などへの応用の可能性が明らかになった。
図1: ブロッコリー(a)とセミの羽(b)の構造からインスパイアされた傾斜マイクロキノコ(c)、プリントされたマイクロキノコアレイ(d)、および単一のマイクロキノコ(e)の走査電子顕微鏡画像
しかし、これまでの研究は主に、液滴が撥水表面で跳ね返る状態や、表面張力、粘度、粗さなどの要因の影響に焦点を当て、そのほとんどが単一方向への跳ね返りに限定されていた。最近の研究では、研究者たちはセミの羽やブロッコリーの微細構造にヒントを得て、構造設計の観点から傾斜したマイクロキノコ状のバイオニック機能表面を提案した。BMFの精密3Dプリント技術により、これらのマイクロキノコを精密に作製し、その傾斜角度と配置を簡単に調整できるようにした。
撥水層でコーティングされた後、バイオニック構造表面の静的な水接触角は168°に達し、プログラム可能でパターン化された液滴の跳ね返りを可能にした。
この研究成果は、「Programmable Droplet Bouncing on Bionic Functional Surfaces for Continuous Electricity Generation」というタイトルでAdvanced Functional Materials誌に掲載され、指向性水輸送、クリーンエネルギー発電などの領域での応用に新たな可能性を提供している。
図2 (a)マイクロキノコの機能的表面における水滴の跳ね返り軌跡。(b)異なるマイクロキノコ頭部の直径と平面跳ね返り距離xの関係。(c)異なるマイクロキノコの傾斜角度と水滴の縦方向跳ね返り距離zの関係。(d)水滴は、特定配置された傾斜キノコ表面上で制御可能な跳ね返りパターンを示していた。
この研究において次の事が判明した
・ キノコの頭部直径は、表面の撥水性と水滴の跳ね返り能力に影響を与える
マイクロ円柱と比較して、マイクロキノコと液滴の接触面積が大きいため、機能表面がより高い撥水性を持つようになる。機能表面での液滴の指向性跳ね返り能力をさらに評価するために、研究者は、水平方向（x軸）と垂直方向（z軸）の両方向における初回の跳ね返り過程での液滴の最大跳ね返り距離を測定した。（図2a）キノコの根元の直径と高さはそれぞれ50μmと2mmであり、隣接する2つのキノコの間隔は400μmだった。円柱（上部にはきのこ形状がない）から出発し、きのこの直径を300μmまで徐々に大きくすると、液滴のｚ方向の跳ね返り距離は8.42mmから5.07mmに減少した。一方、x方向では、液滴の跳ね返り距離が1.48mmから2.12mmに増加し、次に0.76mmに減少した。
・ マイクロキノコの傾斜角度を変えることにより、水滴の跳ね返り方向と速度を正確に制御することができる
図2cの結果に示すように、マイクロキノコはx軸とz軸の両方向での傾斜角度が20°から50°に増加するにつれて、バイオニック機能表面上の水滴の跳ね返り距離は増加し、50°の傾斜角度ではx方向の跳ね返り距離が約2.5mmに達する。しかし、マイクロキノコの傾斜角度が50°から90°に増加するにつれて、x方向の跳ね返り距離は減少したが、z方向の跳ね返り距離はわずかに増加した。
特定の配置方法でマイクロキノコを設計することにより、水滴の跳ね返りの方向を効果的に制御することができ、水滴が特定のパターンで移動し、優れた自浄性能とエネルギー収集能力を備えている。たとえば、回転して配置された5つの部分からなるマイクロキノコの五角形アレイ上で、水滴は特定の角度パターンで跳ね返った（図2d）。
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