[論文レビュー] Determining superhydrophobic surfaces from an expanded Cassie Baxter equation describing simple wettability experiments

Soeren Kaps, Rainer Adelung+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2014

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、水のジェット反사を用いた動的ウェッティング実験を提案し、静的接触角測定の限界を克服することで、超撥水表面における濡れ分数（f）と粗さ（r）を直接測定する手法を確立した。ジェット反射過程におけるエネルギー保存則を適用することで、単一のウェッティング実験からfとrの直接的実験的決定が可能となり、人工的超撥水表面は自然に進化した表面（例：ナスツルの葉）と比較して、最適でない、機械的不安定な粗さを有することが明らかになった。

ABSTRACT

The characterization of the wetting on superhydrophobic surfaces is rather complex. Usual contact angle experiments are difficult to perform and the lateral movement of droplets as well as the pinning at point defects on the surface can disturb the measurements. Even if precise contact angle measurements can be performed the information gain is limited if the surface is heterogeneously wetted. This results in the possibility of two surfaces with different roughness, different surface energy and thus different underlying wetting mechanisms exhibiting the same contact angle. We introduce the utilization of dynamic wetting experiments as an additional surface probe which allows a better characterization of superhydrophobic surfaces. A theoretical model is presented which describes the spreading of water jets on a superhydrophobic surface and allows the determination of the wetted fraction of a heterogeneously wetted superhydrophobic surface. The determined values for the wetted fraction identify a common problem when building artificial super hydrophobic surfaces and can fundamentally improve their understanding.

研究の動機と目的

• 静的接触角測定では、同一の接触角を示す異なる粗さと濡れ分数の組み合わせを区別できないという根本的限界を解消すること。
• 追加の物理的意味を持つウェッティングメカニズムに関する情報を得られる、動的ウェッティング実験（水ジェット反사）を考案すること。
• ウェッティング実験のみを用いて、カッシー＝バクサー方程式における濡れ分数（f）と粗さ（r）の直接的実験的決定を可能とすること。
• 過剰で不要な粗さが原因で生じる、人工的超撥水表面における機械的不安定性を特定・定量すること。
• 自然に進化した超撥水表面（例：ナスツルの葉）が、f ≈ 1に近い理想的な濡れ分数を達成し、優れた機械的安定性を示すことを示すこと。

提案手法

• 水ジェット反射過程におけるエネルギー保存則に基づく理論的モデルを、第一原理から導出。衝突前のエネルギー状態と最大拡がり状態を比較。
• インターフェースエネルギー（γSG, γSL, γLG）と接触角、濡れ分数fとの関係を、拡張されたカッシー＝バクサー方程式を用いて記述。
• 超撥水表面に衝突した水ジェットの最大拡がり幅を、5 ms露光時間の上面からの写真から実験的に測定。
• 実験的拡がり幅に理論的モデルを最小二乗法でフィッティングし、濡れ分数fを計算。
• 人工的Re繊維アレイと自然のナスツルの葉表面を、同一のジェット反射条件下で比較して、手法の妥当性を検証。
• カッシー＝バクサー方程式におけるfとrの独立的決定が可能となり、静的接触角測定の不確定性を解消する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水ジェット反射のような動的ウェッティング実験は、静的接触角測定のみに比べて、超撥水表面の特性評価においてより信頼性が高く情報量が多いものと言えるか？
• RQ2 追加の構造的測定を伴わずに、単一のウェッティング実験からカッシー＝バクサー方程式における濡れ分数fと粗さrを実験的に決定できるか？
• RQ3 同一の静的接触角を示すにもかかわらず、人工的超撥水表面は、自然に進化した表面と比較して、なぜ異なる機械的安定性と性能を示すのか？
• RQ4 自然に進化した超撥水表面（例：ナスツルの葉）の濡れ分数fは、人工的Re繊維アレイと比較してどのように異なるか？
• RQ5 表面粗さの分布が、超撥水コーティングの機械的安定性およびウェッティング挙動に果たす役割は何か？

主な発見

• 水ジェット反射法により、理論的モデルと実験データの間に良好な一致が得られ、理論的モデルの妥当性が全測定領域で裏付けられた。
• ナスツルの葉の濡れ分数はf = 0.950であった。これは、表面のほぼ完全な濡れを示しており、進化的最適化と整合的である。
• 人工的Re繊維アレイでは、濡れ分数が非常に低くf = 0.014にとどまり、高径比ナノファイバーの先端部のみが濡れていることが示された。
• ナスツルの葉では高いf値が機械的安定性と関連している一方、低いfと高い粗さを示す人工表面は機械的脆弱性を示し、容易に損傷を受ける。
• 本研究では、人工的超撥水表面が、撥水性を向上させないまま表面を不安定にする不要な粗さを有することが明らかになった。これは自然に進化した表面とは対照的である。
• 結果から、超撥水コーティングは、撥水性と機械的頑丈さの両方を向上させるために、高い濡れ分数fを最適化すべきであることが示された。