[論文レビュー] Hydration lubrication of polyzwitterionic brushes leads to nearly friction- and adhesion-free droplet motion

Dan Daniel, Alfred Yu Ting Chia+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ポリジアミオン性ブラシが水和潤滑を通じてほぼ摩擦および接着なしのドロップレット運動を可能にすることを示している。油ドロップレットと基板の間に安定したナノスケールの水膜（100–500 nm 厚）が形成される。光学干渉法と独自のドロップレット力計測装置を用いて、nN 級の摩擦および接着力が測定された。これは、従来のスーパーオレオホビック表面と比較して数個のオーダー低い値であり、水和層内の粘性散逸が主なメカニズムであることを確認した。

ABSTRACT

Recently, there has been much progress in the design and application of oil-repellent superoleophobic surfaces. Polyzwitterionic brush surfaces are of particular interest, because of their ability to repel oil under water, even in the absence of micro-/nano-structures. The origin of this underwater superoleophobicity is attributed to the presence of a stable water film beneath the oil droplet, but this had not been demonstrated experimentally. Here, using optical interferometric techniques, we show that an oil droplet effectively hydroplanes over a water film, whose thickness is between one hundred and hundreds of nanometres. In addition, using a custom-built Droplet Force Apparatus, we measured the friction and adhesion forces to be in the nN range for millimetric-sized droplets. These forces are much lower than for other classes of well-known liquid-repellent surfaces, including the lotus-effect and lubricant-infused surfaces, where the typical force is on the order of $μ$N

研究の動機と目的

• ポリジアミオン性ブラシ上に存在する油ドロップレットの下に安定した水和層が存在することを実験的に確認すること。
• ミリメートルオーダーの油ドロップレットがこれらの表面で受ける摩擦および接着力を、マイクロメートル未満の分解能で測定すること。
• ドロップレット運動のダイナミクスと界面水膜の厚さとの関係を確立すること。
• レオウスリーフや潤滑油インジェクション型の従来のスーパーオレオホビック表面（例：あずきの葉、潤滑油含浸型）と比較して、ポリジアミオン性ブラシの摩擦および応答特性のスケーリング法則を評価すること。
• 実験データに基づいて摩擦および接着力のスケーリング則を構築・検証すること。

提案手法

• ガラスおよびシリコン基板上にポリ(スルホベタインメタクリレート)（PSBMA）ブラシを成長させるために、表面開始型アトムトラランスファーラジカル重合（SI-ATRP）を用いた。
• 分光法と原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、乾燥時および湿潤時のブラシ厚さを測定し、水和による50％の膨潤を確認した。
• 561 nm の光を用いた反射干渉対照顕微鏡（RICM）を用い、薄膜干渉縞を介して界面水膜の厚さを直接可視化および定量した。
• ドロップレットの運動に伴うカンチレバーのたわみをモニタリングすることで、nN分解能で摩擦および接着力を測定可能な独自のドロップレット力計測装置（DFA）を設計・製作した。
• ドロップレット速度（U = 4–2000 μm/s）およびキャピラリー数（Ca = 8×10⁻⁸ – 4×10⁻⁵）を変化させた条件下で力の測定を実施し、力の流れ速さおよびドロップレットサイズ依存性を分析した。
• 次元なしのスケーリング関係を構築・検証し、摩擦および接着力をキャピラリー数およびドロップレット半径に関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリジアミオン性ブラシ上に存在する油ドロップレットの下にある水和層の実際の厚さは何か。また、それは界面力にどのように影響するか。
• RQ2 ポリジアミオン性ブラシ上での摩擦および接着力は、レオウスリーフ型や潤滑油含浸型の従来のスーパーオレオホビック表面と比べて、定量的にどの程度低いか。
• RQ3 ポリジアミオン性ブラシ上での摩擦および接着力は、ドロップレット速度およびドロップレットサイズにどのように依存するか。
• RQ4 観察された超低力は、水和膜内での粘性散逸によって説明可能であり、理論的スケーリング則とも整合するか。
• RQ5 接触線のピン留まりとドロップレット底部での粘性流れが、測定力に占める寄与度は、バルク流れやキャピラリー効果と比べてどの程度高いか。

主な発見

• RICMを用いた干渉縞を介した直接的可視化と定量的測定により、PSBMAブラシ上に存在する油ドロップレットの下の水和層の厚さは100–500 nmであることが判明した。
• ポリジアミオン性ブラシ上での摩擦および接着力はnNオーダー（例：2 μm/sでF_adh,min = 20 nN）であり、レオウスリーフ型や潤滑油含浸型表面で観察されるμNオーダーの力と比べて顕著に低い。
• 安定した水和層が存在する場合、摩擦力はF_fric ∝ U²/³、接着力はF_adh ∝ U⁰.⁶ に比例する。これは、エネルギー損失の主因が粘性散逸であることを示している。
• 水和層が不安定な場合（例：薄いブラシ上）、力は1 μN以上に増加し、速度に依存しなくなる。これはピン留まり支配の挙動を示している。
• 次元なしの摩擦力F_fric/(2rγ)は0.001–0.01の範囲にあり、これに対応する接触角ヒステリシスΔcosθも同程度の範囲に収まる。これは、レオウス効果表面（Δcosθ = 0.05–0.10）と比べて1桁低い値である。
• ドロップレット力計測装置（DFA）は、制御実験（表面から離れたドロップレットではカンチレバーのたわみなし）により、ベースレベルの粘性力およびピン留まり力の分離に成功した。