バイオ

Aug 29, 2023

Scientific Reports volume 6、記事番号: 24653 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

近年、省エネや環境保護の観点から空気抵抗の低減が大きな課題となっています。 抗力低減のためのさまざまなアプローチの中で、超疎水性表面は、抗力低減効率が高いため、主に研究されてきました。 しかし、水中での超疎水性表面上の腹甲（つまり、エアポケット）の寿命には限界があるため、脱湿した表面の不安定性が実用化の障害となってきました。 この研究は、SiC/Si インターロック構造を使用してナノスケールの表面構造を最適化することにより、超疎水性表面の水中安定性を向上させる画期的な成果を示しています。 これらの構造は、水中での比類のない超疎水性の安定性を備え、抗力低減能力を強化し、腹甲の寿命は 18 日を超え、最大速度減少率は 56% に達します。 さらに、階層的なSiC/Siナノ構造表面での光電気化学的な水の分解により、エアポケットの寿命制限の問題は、逃げたガス層を再充填することで克服され、これにより継続的な抗力低減効果も得られます。

脱湿表面は、防汚表面 1,2,3,4,5,6,7、防水装置 8,9,10、マイクロチャネル 11,12、防汚表面など、幅広い潜在的な用途があるため、多くの注目を集めています。着氷13,14,15,16,17、油/水分離18,19,20、抗力低減21,22,23、およびその他の非湿潤関連分野24,25,26,27,28,29,30,31,32。 脱湿表面の応用分野の中で、抗力の低減は、ここ数十年で世界的な懸念となっているエネルギー節約と環境保護にとって最も重要な問題の 1 つです。 特に船舶や流路の分野では、抵抗の低減によりエネルギーと資源の消費を大幅に削減できます33,34。 抗力低減効果を誘発するために、コンプライアントコーティング 35、36、ポリマーコーティング 37、38、39、界面活性剤 40、41、42、マイクロバブル 43、44、超疎水性コーティング 23、45 など、さまざまな表面構造と形態が研究されています。 抗力低減のためのさまざまな戦略の中で、蓮の葉を模倣した脱湿表面である超疎水性表面は、抗力低減において支配的な効率を示しています。 しかし、水中での超疎水性が不安定であるため、実際の用途での使用が妨げられてきました46、47、48。

超疎水性表面では、水没表面上の空気（またはガス）中間層の存在が非湿潤挙動を引き起こすことが知られているため、水中の超疎水性の安定性は空気中間層の寿命によって決まります49。 しかし、空気中間層（腹甲）は非常に不安定であり、空気ガスが水中に拡散するため寿命が限られています50。 これまでの研究によれば、ガスの拡散速度は主に表面特性（表面形態と表面エネルギー）と静水圧によって決まります51,52。 メソポーラス構造、ナノワイヤアレイ、マイクロ/ナノ階層構造などのさまざまな表面構造が、空気中間層の寿命を延ばすことが報告されています53、54。 しかし、こうした多様な研究にもかかわらず、空気層の無常性を克服することはできませんでした。

この研究では、炭素熱還元ベースの合成法を使用して、新しい SiC/Si 連動階層構造を開発しました 55。 以前に報告された構造と比較して、私たちの表面は空気中間層の寿命を大幅に改善し、その独自のネットワーク構造により水中での超疎水性の最高の安定性を示しました47,56。 当社の抗力低減測定によると、当社の超疎水性 SiC/Si 階層表面は、平坦な Si 表面と比較して 56% の抗力低減効果を示しました。 逆に、超親水性の SiC/Si 表面は抗力増強特性を示しました。