ハスの葉、羽毛、蝶の羽、バラの花びらなど、自然界には多くの撥水現象が存在します。 これらの天然の超撥水表面は、静的接触角 (CA) が 150°以上であり、水滴が付着して液膜を形成することなく、その表面で跳ね返ることができます。
過去数十年間、液滴の超撥水表面での跳ね返りは研究者から広く注目を集め、水の輸送、自己洗浄、凍結防止などへの応用の可能性が明らかになった。
しかしながら、これまでの研究は主に、液滴が撥水表面で跳ね返る状態や、表面張力、粘度、粗さなどの要因の影響に焦点を当て、そのほとんどが単一方向への跳ね返りに限定されていました。最近の研究では、研究者たちはセミの羽やブロッコリーの微細構造にヒントを得て、構造設計の観点から傾斜したマイクロキノコ状のバイオニック機能表面を提案しました。BMF精密3Dプリント技術により、これらのマイクロキノコを精密に作製し、その傾斜角度と配置を簡単に調整できるようにしました。撥水層でコーティングされた後、バイオニック構造表面の静的な水接触角は168°に達し、プログラム可能でパターン化された液滴の跳ね返りを可能にしました。
この研究成果は、「Programmable Droplet Bouncing on Bionic Functional Surfaces for Continuous Electricity Generation」というタイトルでAdvanced Functional Materials誌に掲載され、指向性水輸送、クリーンエネルギー発電などの領域での応用に新たな可能性を提供しています。
この研究では、次のことが判明しました。
- キノコの頭部直径は、表面の撥水性と水滴の跳ね返り能力に影響を与えます。
マイクロ円柱と比較して、マイクロキノコと液滴の接触面積が大きいため、機能表面がより高い撥水性を持つようになります。機能表面での液滴の指向性跳ね返り能力をさらに評価するために、研究者は、水平方向（x軸）と垂直方向（z軸）の両方向における初回の跳ね返り過程での液滴の最大跳ね返り距離を測定しました。（図2a）キノコの根元の直径と高さはそれぞれ50μmと2mmであり、隣接する2つのキノコの間隔は400μmでした。 円柱（上部にはきのこ形状がない）から出発し、きのこの直径を300μmまで徐々に大きくすると、液滴のｚ方向の跳ね返り距離は8.42mmから5.07mmに減少しました。一方、x方向では、液滴の跳ね返り距離が1.48mmから2.12mmに増加し、次に0.76mmに減少しました。
- マイクロキノコの傾斜角度を変えることにより、水滴の跳ね返り方向と速度を正確に制御することができます。
図2cの結果に示すように、マイクロキノコはx軸とz軸の両方向での傾斜角度が20°から50°に増加するにつれて、バイオニック機能表面上の水滴の跳ね返り距離は増加し、50°の傾斜角度ではx方向の跳ね返り距離が約2.5mmに達します。しかし、マイクロキノコの傾斜角度が50°から90°に増加するにつれて、x方向の跳ね返り距離は減少しましたが、z方向の跳ね返り距離はわずかに増加しました。
特定の配置方法でマイクロキノコを設計することにより、水滴の跳ね返りの方向を効果的に制御することができ、水滴が特定のパターンで移動し、優れた自浄性能とエネルギー収集能力を備えています。たとえば、回転して配置された5つの部分からなるマイクロキノコの五角形アレイ上で、水滴は特定の角度パターンで跳ね返りました（図2d）。
