耐久性に優れた超撥水材料の開発に成功――ハリセンボンの表皮が着想の源 NIMS

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物質・材料研究機構 (NIMS) は2019年9月10日、ハリセンボンの表皮から着想を得て、新しい超撥水材料を開発したと発表した。従来材料の致命的な欠点だった摩耗や変形への弱さが大きく改善されたたため、耐久性が求められる構造材料などへの適応が期待できるという。

超撥水性は、水滴付着に由来する汚れ、凍結、腐食、菌の繁殖を防ぐ特性として注目されている。自然界では蓮の葉に超撥水性があることが分かっている。蓮の葉にはナノ、マイクロメートルスケールの疎水性凹凸構造があり、この構造を模倣することで超撥水材料はこれまで作製されてきた。しかし、この凹凸構造は非常に微細なため、擦る、捻る、引っ掻くといった外力が加わると、容易に壊れてしまうという問題があった。

そこでNIMSは今回、ハリセンボンの表皮をヒントにして、超撥水材料の致命的な欠点だった耐久性を改善した材料を開発した。ハリセンボンの表皮は、テトラポッド型の剛直なトゲ (鱗) と柔軟性に富んだ皮膚という相反する力学特性を持つ。この複合構造に倣い、テトラポット状の無機ナノ材料を柔軟なシリコーン樹脂中で架橋した材料を作製した。この新材料の表面を電子顕微鏡で観察したところ、剛直な無機ナノ材料によるとげ構造が高密度で表面に充填された構造を形成していることが分かった。

開発された材料は、表面の棘状構造の密度をナノレベルで制御することで超撥水性を示す。また、ハリセンボンの特性に由来する剛直性と柔軟性を持つ。さらに、とげ状構造体が3次元ネットワークを形成していることから、擦る、捻る、引っ掻くといった外力によって表面構造が損なわれても、新たに凹凸構造が露出する特性がある。例えば、極端な変形や刃物で表面が損傷しても、損傷部位から新たに凹凸構造が形成され、超撥水性が維持されるという。

開発された超撥水材料は、無機ナノ材料と汎用性樹脂を混ぜて練り合わせるだけで機能が発現するため、従来の樹脂成形や塗装技術を適用できる。NIMSは今後、流体抵抗を低減するための船底塗料など、耐久性がボトルネックとなることで超撥水の実用化が妨げられてきた分野への開発素材の適用を目指し、開発を続けるとしている。

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