超撥水 - 暇つぶしWikipedia

超撥水

Aが超撥水状態

超撥水（ちょうはっすい）とは、濡れ現象において高度な撥水性によって面に対して150°を超える接触角で水滴が接する現象のこと。なお、本項目では便宜上、面に対して0°に近い接触角で濡れが生ずる現象である超親水についても取り上げる。

常識的な物質において、最大の撥水性を示す官能基はトリフルオロメチル基（-CF3）である。CF3末端を並べた表面の表面張力は約 6mNm-1である [1]。フッ素樹脂などで平面状にきれいに並んだトリフルオロメチル基と水が接する場合、その接触角は 120°前後である。この撥水性をさらに強化し、接触角を150°を超える状態にまで強化した状態が超撥水性である。この場合、水滴は球状になって表面を転がることになる。
歴史

フロンの研究と第二次世界大戦中のアメリカ合衆国における核開発の過程から生まれたフッ素樹脂は、その優れた撥水、撥油、耐腐食性から広範な範囲に応用が広がった。その撥水性をさらに向上させるべく、1950年代以降、超撥水性を持つ表面は様々な方法で実現が試みられてきた [2][3]。

表面科学の一分野として超撥水性は向上の試みが行われ続けた。1991年に京都大学化学研究所でPTFEとニッケルの共析を利用した表面が、170°を超える接触角を達成したことが、170°を超える接触角の世界初の例であるらしい。[要出典]
原理
 超撥水面の立体構造「濡れ#表面構造によるぬれの変化」も参照ヤングによる濡れと接触角の定義接触角測定装置

単なる平坦な面より、凹凸のある表面の方が、高い撥水性を得る上で有利である。このことを以下に説明する。

1805年、トマス・ヤングは濡れ現象の式を以下のように定義した。 γ S G = γ S L + γ L G cos ⁡ θ {\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta }}

ここで γ S G {\displaystyle \gamma _{SG}\ } = 固体と気体間にはたらく張力 [4] γ S L {\displaystyle \gamma _{SL}\ } = 固体と液体間にはたらく張力 γ L G {\displaystyle \gamma _{LG}\ } = 液体と気体間にはたらく張力 θ {\displaystyle {\theta }} c = 接触角

このように、3相相互の張力が求めれば、接触角を算出することができるし、逆に接触角を利用して張力を算出することもできる。

水と面が接する面積が増加すると、以下のような撥水と接触角の理論が適用できるようになる。これが、凹凸のある面で撥水性が高まる理由である。

面の粗さの比較的少ない面（凹面にくまなく液面が接するような面）における接触角 θW* はWenzel（ウェンゼル）が以下の式で近似できるとした [5]。 cos ⁡ θ W ∗ = r cos ⁡ θ {\displaystyle \cos {\theta _{W*}}=r\cos {\theta }}

ここで係数 r は実面積係数、すなわち接触表面積が平坦な場合と比較した場合の倍数である。凹凸が多く粗い面、つまり面-液面が（みかけ上）広い面積で接しており、液面入り込めない多数の空隙の存在によって点接触をしている場合の接触角はCassie（カシー）およびBaxter（バクスター）が以下の式で近似できるとした [6]。 cos ⁡ θ C B ∗ = ϕ ( cos ⁡ θ + 1 ) − 1 {\displaystyle \cos {\theta _{CB*}}=\phi (\cos {\theta }+1)-1}

ここで φ < 1 は接触面積中の点接触面積の割合を示す。

主な濡れ理論は以上のとおりであるが、過渡的な現象についてはさらに検討が行われ、たとえばOndaら [7]は1996年に各界面における気体の吸着割合を考慮した3次式を発表したなどの例がある。岩塩（立方晶塩化ナトリウム）にみる無機結晶の自己相似化

以上のように、平坦でない面の場合、面-液面は、平面に比べて実際の接触表面積が拡大し、実質の自由表面エネルギーが平面の場合より大きくなる。そのため、濡れやすい表面はより濡れやすく、弾きやすい表面はより弾きやすくなる。このとき、限りなく面-液面が多い点で接触するようにすれば、最大の接触角を得ることができる。つまり、接触角を180°とすることができる。この理論値に近づくために数々の努力が払われてきた。限りなく面-液面が多い点で接触する条件とは、すなわち、面の凹凸が限りなく多いということである。この条件を満たす理想的な面とはフラクタル面である。厳密な意味でのフラクタル面を現実の物質で創製することは不可能であるが [8]、たとえば、結晶成長に伴う自己組織化を利用する、プラズマや腐食性流体などを利用したエッチングを行うこと、などでフラクタル面に類似した面を得ることができる。結晶成長においては、液相が固相に変化する過程で、準安定な結晶相を経て安定な結晶相となる際に自己組織化を伴うことが知られており、これを利用することが多い。この擬似フラクタル表面の完成度については、フラクタル次元を用いて評価が行われる。現在では、数々の無機結晶・有機結晶・金属結晶で、結晶成長を利用したフラクタル面の製造法が確立されている。

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