雨粒を弾き、霧を集めるシロアリの翅の表面構造を再現――水滴を捕集/保持できる材料への応用に期待 龍谷大

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シロアリの翅の表面構造を模倣した結晶膜表面の電子顕微鏡写真

龍谷大学は2019年8月6日、独自の結晶成長技術により、雨粒を弾き、霧を集めるというシロアリの翅が示す二重濡れ性を再現することに成功した。この技術により、空気中の霧から水滴を集めるといった実用化が期待できるという。

近年、生物の微細な表面構造や生産システムを模倣するバイオミメティクス(生物模倣科学)の研究が活発化している。そしてこれまで、ゴボウの実を真似たマジックテープ、ハスの葉の超撥水性表面、蛾の目の無反射、鮫肌の低抵抗など、さまざまな生物の構造を模倣した機能性材料が開発されてきた。

龍谷大学理工学部物質化学科の内田欣吾研究室では、光を照射すると色を可逆的に変えるフォトクロミック化合物、特に熱的に安定なジアリールエテンという化合物を研究。ジアリールエテンの結晶薄膜に紫外線を照射すると、高さ約10μm、幅約1-2μmの針状結晶が膜表面に成長することを発見していた。

そこで、内田研究室は今回、天敵を避けるためにあえて雨季に新しいコロニーへと飛び立つ、オーストラリア原産のNasutitermes sp.というシロアリの翅の表面構造に注目。その表面構造は、2種類の微細な構造から成り、大きな水滴は毛で弾き飛ばし、小さな水滴は保持し、合一させて水滴を大きくすることで、羽ばたきで効率的に除去するという特異的な濡れ特性を持つ。

シロアリの翅の表面構造の電子顕微鏡写真

これを模倣するため、あらかじめ表面構造が予想できる2種類のジアリールエテン分子を混合した結晶膜を作製。この結晶膜に紫外光を照射することで、高さ約16μmで幅約1.5μmの長い針状結晶と、高さ約1.9μmで幅約0.2μmの小さな針状結晶を無数に成長させることに成功した。この構造は、シロアリがもつ表面構造と非常に似通っており、水滴の接触角約163°の超撥水性を示すことを確認した。さらに、霧吹きで水滴を吹きかけながら、観察したところ、直径100μm以上の大きな水滴は弾かれる一方、20-100μmの小さな水滴はくっつく様子が観察できた。これは、雨粒を弾き、霧を集めるというシロアリの翅が示す二重濡れ性を再現しているという。

(a)雨の水滴のサイズによる分類(b)結晶膜に霧吹きで水滴を吹きかけた時の水滴のサイズによる濡れ現象の分布

内田研究室は、この成果により、人が介在することなく表面をきれいに保つセルフクリーニング材料、空気中の霧から水滴を捕集できる材料、水滴を保持できる機能材料などさまざまな応用が期待できると説明している。

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