サルビニア効果
異なる倍率で撮影したオオサルビニア（S. molesta）。SEM写真d）では、撥水性のワックス結晶と、毛先にある4つの親水性のワックスフリーアンカー細胞が見える

サルビニア効果とは、水中に沈んだ階層構造の表面上の空気層が永久的に安定化する現象を指します。生物学的モデル（例えば、浮遊性シダ植物のサルビニア、​​背泳ぎ動物のノトネクタ）に基づいて、生体模倣サルビニア表面が抗力低減コーティングとして使用されています（最初のプロトタイプでは最大 30% の低減が以前に測定されました）。[1] [2]船体に塗布すると、ボートが空気層に浮かぶようになり、エネルギー消費と排出量が削減されます。このような表面には、極めて撥水性の優れた超疎水性表面と、水中に沈んでいる間に空気を閉じ込めるためのミリメートル単位の弾性毛状構造が必要です。サルビニア効果は、生物学者で植物学者のヴィルヘルム バルトロット（ボン大学）と彼の同僚によって発見され、2002 年以来、いくつかの植物や動物で調査されてきました。出版物と特許は 2006 年から 2016 年の間に公開されました。[3]最良の生物学的モデルは、高度に洗練された階層構造の毛状表面を持つ浮遊性シダ（サルビニア）、[4]と背泳ぎ動物のノトネクタです。 （例：ノトネクタ）は、毛（剛毛）と微絨毛（微毛）の複雑な二重構造を持つ。既知のサルビニア属10種のうち3種は、逆説的な化学的不均一性を示す。すなわち、親水性の毛先と、超疎水性の植物体表面が、空気層をさらに安定化させている。[5]

サルビニア、ノトネクタおよび空気を保持する表面を持つ他の生物

水中に浸漬すると、極めて撥水性（超疎水性）に優れた構造表面が構造間に空気を閉じ込め、この空気層が一定時間維持されます。空気と水の界面で光が反射するため、水没した表面には銀色の輝きが見られます。

長時間持続する空気層は、物理的な鰓（腹甲）で呼吸する水生節足動物にも見られ、例えば、ミズグモ（Argyroneta）やアフェロケイルス（Aphelocheirus ）などが挙げられます。空気層は、背泳ぎのノトネクタ（Notonecta）のように、水中を高速で移動する動物の摩擦を軽減するのにも役立つと考えられます。[6]

水中で長期間空気を保持する最もよく知られた例は、サルビニア属の浮遊性シダである。地球上のすべての温暖な地域の静水域には、非常に多様なサイズの約10種が生息しており、温帯気候に広く分布する1種（S. natans ）は中央ヨーロッパにも生息している。空気を保持する能力は、これらの植物にとって生存戦略であると考えられる。浮葉の表側は撥水性が高く、非常に複雑で種固有の特徴的な毛がある。[4]種によっては、0.3～3 mmの長さの多細胞の自立毛を持つもの（例： S. cucullata ）もあれば、先端で2本の毛がつながっているもの（例：S. oblongifolia）もある。S. minimaとS. natans は、 1つの基部でつながっている4本の自立毛を持つ。ジャイアントサルビニア（S. molesta）やS. auriculata、およびその他の近縁種は、最も複雑な毛を示す。4本の毛が共有の軸に生えている。毛は先端でつながっており、微細な泡立て器に似ていることから「泡立て器トリコーム」と呼ばれています。毛を含む葉の表面全体は、ナノスケールのワックス結晶で覆われており、これが表面の撥水性の要因となっています。したがって、これらの葉の表面は「階層構造」の典型的な例です。[4]

サルビニア・モレスタおよび近縁種（例えば S. auriculata ）の卵泡立て毛には、さらに注目すべき特性が見られる。毛の先端にある4つの細胞（アンカー細胞）[3]は、毛の残りの部分とは対照的にワックスを含まず、親水性である。つまり、超疎水性表面に囲まれた濡れやすい島のような構造である。この化学的不均一性[5] 、いわゆるサルビニア・パラドックスにより、空気と水の界面が植物に固定され、空気層の圧力と長期安定性が高まる。[5] [7]

浮遊性シダの空気保持面は摩擦の低減にはつながらない。生態学的に極めて適応性の高いジャイアントサルビニア（S. molesta）は、地球上の熱帯・亜熱帯地域において最も重要な侵略的植物の一つであり、経済的問題だけでなく生態学的問題も引き起こしている。[8]その成長速度は、おそらくすべての維管束植物の中で最も速い。熱帯地方において最適な条件下では、S. molestaは4日以内にバイオマスを2倍にすることができる。ここで述べたサルビニア効果は、その生態学的繁栄に重要な役割を果たしている可能性が高い。多層構造の浮遊性植物マットは、空気層内でのガス交換機能を維持していると考えられる。

動作原理

水中の背泳ぎバッタ（Notonecta glauca）：銀色の輝きは、翼の空気層と周囲の水との界面で反射した光によるものです

サルビニア効果は、疎水性化学とナノおよびミクロ次元の 複雑な構造[9]の組み合わせにより、比較的厚い空気層を永久に保持できる表面を定義します。

この現象は、2002年から2007年にかけて、ボン大学のヴィルヘルム・バルトロットとその同僚が水生植物と動物に関する体系的な研究の中で発見しました。[10] 5つの基準が定義されており、[11]これらは水中に安定した空気層が存在することを可能にし、2009年現在、サルビニア効果を定義しています。[12] (1) 疎水性表面化学と(2) ナノスケール構造の組み合わせが超疎水性を生み出す、(3) 数ミクロンから数ミリメートルに及ぶ微視的な階層構造と(4) アンダーカット、(5) 弾性特性。弾性は、動的静水圧条件下での空気層の圧縮に重要なようです。[13]追加の最適化基準は、親水性の先端の化学的不均一性です（サルビニアパラドックス[4] [6]）。これは、複数のレベルでの階層構造の代表的な例です。[12]

植物や動物では、空気を保持するサルビニア効果表面は常に0.5～8cmの長さの小さな区画に断片化されており、その境界は特定の微細構造によって空気の損失を防いでいます。[1] [3] [14]密閉された縁を持つ区画は、技術的な用途でも重要です。

ジャイアントサルビニアの原理は図[4]に示されている。S . molestaの葉は、水中に沈められた状態でも、表面に長期間空気層を保つことができる。葉を水中に引き込むと、葉の表面が銀色に輝く。S . molestaの特徴は、この長期的な安定性にある。多くの疎水性表面では、水没後すぐに空気層が消失してしまうが、S. molestaは数日から数週間にわたって空気層を安定させることができる。つまり、その持続時間は葉の寿命によってのみ制限される。

親水性アンカー細胞によって保持される水中空気層の安定化の模式図（「サルビニアパラドックス」）

高い安定性は、超疎水性（極めて撥水性）表面と構造の先端の 親水性（水を引き付ける）パッチとの一見矛盾する組み合わせの結果です。

水中に沈められると、毛の表面が疎水性であるため、毛と毛の間に水が浸透することはありません。しかし、ワックスを含まない（親水性の）4つの末端細胞によって毛先に水が固定されます。この固定により、水中の空気層が安定化されます。その原理は図に示されています。

2つの水中に沈んだ空気保持表面を模式的に示します。左側は疎水性表面、右側は親水性先端部を持つ疎水性表面です。

負圧をかけると、純粋に疎水性の表面（左）に複数の構造物にまたがる気泡が急速に形成されます。負圧が増加すると気泡は成長し、表面から剥離する可能性があります。気泡は表面に上昇し、空気層は減少して完全に消滅します。

親水性アンカーセル（右）を持つ表面の場合、水は表面の親水性パッチによって各構造の先端に固定されます。これらの結合により、複数の構造にまたがる気泡の形成が可能になります。最初に複数の結合が切断される必要があるため、気泡の放出は抑制されます。その結果、気泡形成に必要なエネルギーが増加します。したがって、表面から分離して上昇できる気泡を形成するには、負圧を高める必要があります。

生体模倣技術の応用

背泳ぎカワムシ（Notonecta glauca）：水面に面した翼の接合部は、長い毛（サタエ）と微絨毛の絨毯で構成された階層構造をしています

水中空気保持面は、技術的応用において大きな関心を集めています。この効果を技術的表面へ転用できれば、船体をこの表面でコーティングすることで、船体と水との間の摩擦を低減し、燃料消費量と燃料費を削減し、環境への悪影響（空気層による防汚効果）を軽減することができます。[15] 2007年には、最初の試験船で既に10%の摩擦低減を達成し[9]、この原理はその後特許を取得しました。[16] 現在、科学者たちは摩擦低減が30%以上になると予測しています。[17]

基本原理は図に模式的に示されています。ここでは、固体表面上の水層流と空気保持面上を流れる水の2つの流れプロファイルを比較しています。

水が滑らかな固体表面上を流れる場合、表面での速度は水と表面分子間の摩擦によりゼロになります。固体表面と水の間に空気層がある場合、速度はゼロより大きくなります。空気の粘性は水の粘性の55分の1と低いため、摩擦力の伝達は空気の粘性と同じ係数で 減少します。

固体表面と空気保持面に沿った水の流体力学を比較した模式図：固体表面では、水分子と表面の摩擦により、水の速度はゼロになります（左）。空気保持面の場合（右）、空気層が滑り止めとして機能します。空気の粘性が低いため、水は空気と水の界面を移動することができ、抵抗が減少し、速度はゼロより高くなります。

研究者たちは現在、船舶の摩擦を低減するために、 S. molesta [18]をモデルにした生体模倣型の恒久的な空気保持表面の開発に取り組んでいます。サルビニア効果表面は油を迅速かつ効率的に吸着することが証明されており、油水分離用途にも使用できます[19]。

アニメーション

生体模倣デバイスBOA（バイオニックオイル吸着装置）は、純粋に物理的な原理に基づいて、水面から油膜を自動的に分離します。これは、2018年にボン大学で行われたサルビナ効果とロータス効果に関する研究から開発されました。油膜（赤）は生体模倣繊維（緑）に吸着され、その後除去するために浮遊ボウル（灰色）に集められます。詳細については、BarthlottらによるPhil Trans. Roy. Soc. Aをご覧ください。https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott, M. Moosmann & M. Mail 2020
油水分離におけるサルビニア効果：サルビニア・モレスタ（Salvinia molesta）の空気捕捉性超疎水性葉における原油滴の高速かつ表面吸着と輸送。詳細はBarthlottらによるPhil Trans. Roy. Soc. A.をご覧ください。https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott & M. Mail 2020

関連項目

参考文献

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参考文献

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  • ビデオ: Das Geheimnis des Südamerikanischen Schwimmfarns
  • ビデオ: Lufthaltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion
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