[論文レビュー] Simple derivation of Young, Wenzel and Cassie-Baxter equations and its interpretations

S. Banerjee|ArXiv.org|Aug 11, 2008

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、表面の微細構造が浸潤行動に与える影響を説明するため、ヤングの式、ウェンゼルの式、カシービューターの式の概念的導出を提供する。粗さや化学的不均一性がある表面は、もともと疎水性の基板では疎水性を強化できるが、疎水性の基板を親水性に逆転させることはできないことが示され、浸潤制御における表面工学における根本的な非対称性が浮き彫りになる。

ABSTRACT

In this paper we have derived Young's, Wenzel's and Cassie-Baxter's equations using conceptual model rather than showing rigorous derivation to help the new-comers in this field. We then pointed out that if the substrate is initially hydorphilic then one can modify the surface morphology and make the substrate to become hydrophobic or superhydrophobic. But, if the substrate is initially hydrophobic then one can only make it superhydrophobic but not hydrophilic by modifying the surface morphology using the formalisms mentioned in this paper

研究の動機と目的

• 表面科学の初心者向けに、ヤングの式、ウェンゼルの式、カシービューターの式の理解しやすい概念的導出を提供すること。
• 微細およびナノスケールにおける表面の粗さや化学的不均一性が、浸潤行動に与える影響を明確にすること。
• 表面工学による浸潤特性の変更の根本的限界を調査すること。
• 表面の形状によって親水性と疎水性を実現する際の非対称性を実証すること。

提案手法

• 三相界面におけるエネルギー最小化と力の釣り合いを用いてヤングの式を導出する。
• ウェンゼルのアプローチにおいて、粗さ比 r = A_rough / A_flat を用いて表面粗さをモデル化する。
• 固体相（f_S）と気相反界面（f_V）の割合に基づき、界面張力の平均化を適用してカシービューター形式を導入する。
• 粗さ係数 r とカシービューター式を組み合わせ、空気が閉じ込められた複合界面をモデル化する。
• 幾何的考察（dA_LV / dA_SL = cosθ）を用いて接触角の関係を導出する。
• r と f_S の関数として θ_CB の挙動を分析し、浸潤の遷移条件を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面の粗さのみで、親水性基板を疎水性またはスーパーローフィブリックに変えることができるか？
• RQ2 表面の形態的変更によって、疎水性基板を親水性に逆転させることができるか？
• RQ3 ドロップレットの移動性と接触角の観点から、カシービューター状態とウェンゼル状態にはどのような違いがあるか？
• RQ4 カシービューター・モデルにおいて、顕在接触角が180°を超える条件は何か？
• RQ5 粗さ比 r が、浸潤状態と非浸潤状態の遷移を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 基板がもともと親水性であれば、表面の粗さや化学的不均一性によって疎水性またはスーパーローフィブリックに変化させることができる。
• 基板がもともと疎水性であれば、表面の形態的変更によって疎水性は強化されても、親水性に逆転させることはできない。
• カシービューター接触角 θ_CB は常に θ_W より大きい（θ_CB ≥ θ_W）ことから、複合状態では顕在接触角が高くなることが示される。
• 親水性基板（θ_Y < 90°）では、粗さ比 r を増加させることで、θ_CB が疎水性から親水性への遷移を示すことがある。
• 疎水性基板（θ_Y > 90°）では、r を増加させても親水性への遷移は生じず、浸潤制御における非対称性が裏付けられる。
• カシービューター状態では、ウェンゼル状態よりも滑り角が小さいため、複合状態ではドロップレットがより容易に転がり落ちる。