ロータス効果
蓮の葉の上の水
蓮の花のような効果のあるサトイモの葉の上の滴（上）、および多数の小さな突起が見える拡大されたサトイモの葉の表面（0～1 は 1ミリメートルの範囲）（下）。
蓮の葉の表面のコンピュータグラフィック
蓮の表面の水滴の接触角は約147°です

ロータス効果とは、蓮の花であるハスの葉が示す超疎水性に起因する自己洗浄特性を指します。 [ 1 ]表面のミクロおよびナノスケールの構造により、汚れの粒子が水滴に吸着され、水滴の表面への付着が最小限に抑えられます。超疎水性と自己洗浄特性は、トロペオラム（キンレンカ）、オプンティア（ウチワサボテン）、アルケミラ（サトウキ） 、サトウキなどの他の植物、そして特定の昆虫の羽にも見られます。[ 2 ]

超疎水性現象は、1964年にデトレとジョンソンによって粗い疎水性表面を用いて初めて研究されました[ 3 ] 。彼らの研究は、パラフィンまたはPTFEテロマーでコーティングされたガラスビーズを用いた実験に基づく理論モデルを開発しました。超疎水性マイクロナノ構造表面の自己洗浄特性は、1977年にヴィルヘルム・バルトロットとエーラーによって研究され[ 4 ] 、彼らはこのような自己洗浄特性と超疎水性を初めて「ロータス効果」として記述しました。パーフルオロアルキルおよびパーフルオロポリエーテル超疎水性材料は、1986年にブラウンによって化学流体および生物学的流体の取り扱い用に開発されました[5]。その他のバイオテクノロジーへの応用は、 1990年代以降に登場しました[ 6 ] 。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

機能原理

水の表面張力が高いため、液滴はほぼ球形になります。球体の表面積は最小であり、この形状によって固体と液体との間の表面エネルギーが最小になるからです。液体が表面と接触すると、接着力によって表面が濡れます。表面の構造と液滴の流体張力に応じて、完全な濡れまたは不完全な濡れが発生します。[ 12 ] 自己洗浄性の原因は、表面の疎水性の撥水性の二重構造です。[ 13 ]これにより、表面と液滴の接触面積と接着力が大幅に減少し、自己洗浄プロセスが実現します。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] この階層的な二重構造は、特徴的な表皮（最も外側の層はキューティクルと呼ばれます）とそれを覆うワックスから形成されます。ハスの表皮は、高さ10～20μm、幅10～15μmの乳頭を有し、その上にいわゆるエピクチクラワックスが重なり合っています。これらの重なり合ったワックスは疎水性で、二重構造の第二層を形成しています。このシステムは再生します。この生化学的性質が、表面の撥水性を担っています。

表面の疎水性は接触角で測定できます。接触角が大きいほど、表面の疎水性が高くなります。接触角が90°未満の表面は親水性、90°を超える表面は疎水性と呼ばれます。一部の植物は接触角が最大160°に達し、超疎水性と呼ばれます。これは、（標準的なサイズの）液滴の表面積のわずか2～3%しか接触していないことを意味します。蓮のように二重構造の表面を持つ植物は、接触角が170°に達することもあり、液滴の接触面積はわずか0.6%です。これらすべてが自己洗浄効果につながります。

接触面積が極めて少ない汚れ粒子は水滴に吸着され、表面から容易に洗浄されます。水滴がこのような汚染された表面を転がると、汚れ粒子（その化学的性質に関わらず）と水滴との間の付着力は、粒子と表面との間の付着力よりも高くなります。この洗浄効果は、ステンレス鋼などの一般的な材料において超疎水性表面が生成された場合に実証されています。[ 17 ]この自己洗浄効果は水の高い表面張力に基づいているため、有機溶剤では機能しません。したがって、表面の疎水性は落書きに対する保護には役立ちません。

この効果は、植物にとって真菌や藻類などの病原菌からの保護として、また蝶やトンボなどの体全体を清潔に保つことができない昆虫など、動物にとっても非常に重要です。自己洗浄のもう一つのプラス効果は、光にさらされた植物表面の汚染を防ぎ、光合成を低下させることです。

技術的応用

超疎水性表面の自己洗浄特性は、葉の表面の特定の化学的性質からではなく、ミクロからナノスケールの物理的化学的性質から生じることが発見されると、[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]、特定の方法ではなく一般的な方法で自然を模倣することにより、この効果を人工の表面で利用する可能性が生まれました。

ナノテクノロジストの中には、蓮などの植物の自己洗浄特性を技術的に再現することで、乾燥状態を維持し、自ら洗浄する処理剤、コーティング剤、塗料、屋根瓦、布地などの表面を開発している者もいます。これは通常、構造化された表面に特殊なフッ素化合物やシリコーン処理を施すか、マイクロスケールの微粒子を含む組成物を用いることで実現できます。

時間の経過とともに除去できる化学表面処理に加えて、蓮の花のような効果を生み出すために、フェムト秒パルスレーザーで金属を彫刻した例もある。[ 21 ]この材料はどの角度から見ても均一な黒色で、自己洗浄機能と組み合わせることで、メンテナンスの手間が非常に少ない太陽熱エネルギーコレクターを製造できる可能性がある。また、金属の高い耐久性は、病気の伝染を減らすための自己洗浄式トイレに使用できる可能性がある。[ 22 ]

他にも、協力パートナーであるFerro GmbHが開発した、ドイツのアウトバーンの交通管制装置のセンサーに取り付けられたセルフクリーニングガラスなど、様々な用途が市販されています。スイスのHeiQ社とSchoeller Textil社は、それぞれ「 HeiQ Eco Dry」と「nanosphere 」というブランド名で、防汚繊維を開発しました。2005年10月、ホーエンシュタイン研究所の試験では、Nanosphere技術で処理された衣類は、数回の洗濯でもトマトソース、コーヒー、赤ワインなどの汚れが簡単に落ちることが示されました。そのため、セルフクリーニング機能を備えたオーニング、防水シート、帆など、すぐに汚れて掃除が困難な用途への応用も期待されています。

マイクロ波アンテナに超疎水性コーティングを施すことで、雨による減衰や氷雪の付着を大幅に低減できます。広告で「お手入れ簡単」と謳われている製品は、疎水性または超疎水性表面の自己洗浄特性と誤解されることがよくあります。パターン化された超疎水性表面は、「ラボ・オン・チップ」マイクロ流体デバイスにも有望であり、表面ベースのバイオ分析を大幅に改善することができます。[ 23 ]

超疎水性または疎水性の特性は、結露の採取、つまり灌漑用に水を集水器に導く際に利用されてきました。Groasis Waterboxxは、超疎水性の特性に基づいた微細なピラミッド構造の蓋を備えており、結露水や雨水を集水器に導き、成長中の植物の根に供給します。[ 24 ]

研究の歴史

ハスの自浄作用はアジアでは古くから知られていたと考えられるが（バガヴァッド・ギーター[ 25 ]に蓮の効果に関する記述がある）、そのメカニズムが解明されたのは走査型電子顕微鏡が導入された1970年代初頭になってからである。[ 4 ] [ 16 ]研究はトロペオラムとハスの葉を用いて行われた。[ 6 ]蓮の効果と同様に、最近の研究ではタロイモの葉にハニカム状の微細構造があり、それが葉を超疎水性にしていることが明らかになった。この研究で測定された接触角は約148度である。[ 26 ]

参照

参考文献

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