固体表面の濡れ性に対する表面粗さの効果

摘要

外界と接する材料表面の性質は、生体適合性、潤滑、防曇、防錆、接着など様々な用途において重要である。 固体表面の濡れ性は材料表面の性質を表すために広く用いられており、その程度は材料の表面エネルギーと表面の粗さで決まる。 単位面積あたりの表面エネルギーは表面張力γ（N m~(-1)＝J m~(-2)）として表され、小さいほど疎水性が大きい。 固体の表面エネルギーは表面の官能基など化学構造に依存し、表面修飾などで変化させることができる［1］。 一方、表面粗さの効果については、蓮の葉や里芋の葉の上では水滴が球状になり、転がり落ちる現象（Lotus effect）として良く知られている。 蓮の実の表面には20数μm間隔でおむすび型をした突起があり、この突起を含む菓の表面にはワックスの微粒子が付いている。 ワックスの撥水性と、突起に水滴が支えられることから、直径が200～1000μmである通常の雨の水滴は葉の上に降っても、転がり落ちて葉の中央部にたまる。 このような微細な凹凸構造を人工的に形成した固体表面は高い撥水性を示すことが報告されており、フラクタル構造を導入した表面はその一例である［2］。 著者らは10年前にアルカンチオールの混合自己組織化単分子膜表面の濡れ性が混合比によって変化する現象に対して膜表面の凸凹構造を考慮した説明をした［3］。 それ以来、固体表面の濡れ性に対する表面粗さの影響を議論した論文を雑誌で見かける都度ざっと目を通してきたが、ここ数年、"超撥水表面のデザイン"の点から表面粗さの効果を議論した論文が増えている［4］。 近年の論文を中心に簡単に整理してみた。