武漢大学の薛龍建教授の研究グループ：抗力低減のための魚皮のようなヤヌスハイドロゲルコーティング

出典: MF High Precision

パイプライン輸送、マイクロ流体工学、海運業界など、多くの工学分野で抗力低減表面の需要が高まっています。自然界では、魚の鱗の構造と体表面の粘液が優れた流体力学的特性と防汚特性をもたらし、狩りをしたり捕食者を避けたりするのに役立ちます。これにヒントを得て、武漢大学動力機械工学部の薛龍建教授と工業科学研究所の趙燕教授の研究グループは、魚の鱗構造を持つヤヌスハイドロゲルコーティング（JHC）を設計・開発しました。このコーティングは、魚の鱗のような構造を持つ抗力低減上面（SLH）と強力な接着特性を持つ下面（STH）で構成されています。関連する研究結果は、「魚の皮に着想を得た抗力低減のためのヤヌスハイドロゲルコーティング」と題する論文として、中国化学ジャーナル（SCI ゾーン 1、IF = 5.4）に掲載されました。博士課程の学生である張玉容が第一著者であり、薛龍建教授と趙燕教授が共同責任著者である。

著者らはまず、BMF micro Arch® S230 (精度: 2 μm) を使用して、クロコイの鱗に基づいたバイオニックテンプレートを印刷しました。 JHC は、テンプレート法と光開始重合を組み合わせて合成されました (図 1 を参照)。具体的な作製手順は、（１）ガラス基板上のJHCの裏面にSTHプレポリマー溶液を塗布し、紫外線照射（波長365nm）下で硬化させる工程、（２）SLHプレポリマー溶液を充填した魚鱗構造ネガティブテンプレート上にSTHを含む基板を覆い、UV硬化後にネガティブテンプレートを除去してJHCを得る工程の２工程に分かれている。 JHC は 3D プリントされた魚の鱗の構造を完全に再現しました。STH と SLH の主な化学組成が同じであるため、2 つのハイドロゲル層がしっかりと結合されています。 STH および SLH ハイドロゲルシステム内のモノマー、架橋剤、および第 2 ネットワークポリマーの含有量を調節することで、2 つのハイドロゲル層の架橋度を変更し、コーティングのスティックスリップ特性をさらに制御できます。
図1. Janus ハイドロゲルコーティング（JHC）の概念と構造。 (a) 黒鯉の皮を模倣したJHCのデザイン戦略。 (b、c) JHCの(b)詳細な製造プロセスと(c)反応メカニズムの概略図。図(c)の挿入図: (i)紫外線下での粘着性ハイドロゲル層(STH)の重合メカニズム。（ii）平滑ハイドロゲル層（SLH）におけるキトサン第四級アンモニウム塩（CQAS）の物理的架橋。（iii）SLH層におけるポリ（アクリル酸-共-アクリルアミド）[P（AA-co-AM）]の化学架橋。 (iv) ガラススライド上のSLH層（上層）とSTH層（下層）の接着特性。 (d) JHCの光学写真、(e) 3Dプロファイル画像、(fi) 走査型電子顕微鏡画像。

続いて、著者らは、STH 層の法線方向と接線方向の接着特性を研究し、キトサン第四級アンモニウム塩 (CQAS) 濃度が STH のせん断接着に及ぼす影響を調査しました (図 2)。 P(AA-co-AM) の豊富なアミノ基とカルボン酸基は、STH とさまざまな表面との間の静電相互作用と水素結合の形成を促進し、セラミック、ガラス、鋼、銅、段ボール、竹、ポリマーなどの表面に対する優れた接着特性を付与します。

図2. JHCの接着性能。 (a) 紙から剥がしたJHCの写真。 JHC の STH 層はメチレンブルーで染色されました。 (b) STHのせん断応力-変位曲線。 (b)の挿入図は、試験の概略図と試験後のSTHの写真です。 (c) CQAS濃度がSTHのせん断応力に及ぼす影響。（d）STHとSLHの通常の接着力。 (e) STHの様々な表面への接着能力。

SLH 表面の摩擦は非常に低いです。著者らは、傾斜角 5° で JHC 表面に 5 g の重りを置いたところ、重りはすぐに SLH 表面から滑り落ちました。 10 mNの通常荷重下では、ルビーとSLH表面間の摩擦力はわずか2.77±1.51 mNです。 SLH の水中摩擦は乾燥状態の摩擦よりも約 18 倍低く、これは水が JHC の表面摩擦を低減する上で重要な役割を果たしていることを示しています。 150時間浸漬後、SLHの水中での膨潤率はわずか11重量％です。優れた抗膨潤特性により、水中での魚の鱗のような構造の安定性が確保されます。 CQAS 含有量が 6 wt% の場合、SLH の機械的特性は最適になります。ボールペンによる穿刺、メスによる切断、伸張、ねじりと伸張、結びと伸張などのテストにより、SLH の優れた機械的特性が直感的に実証されます。

図3. スムースハイドロゲル（SLH）の機械的特性。 (a) 5gの重りが5°傾斜したJHCの上面を滑り落ちる写真。 (b) 10 mNの垂直荷重下でのSTHとSLHの摩擦力。 (c) 脱イオン水に異なる時間浸漬した後のSLHの膨潤率。 5つのサンプルの平均を測定することによって得られます。 (d) 引張応力-ひずみ曲線、(e) ヤング率、および (f) 異なる濃度の CQAS を含む SLH の最大応力。 (g) ボールペン穿刺、メス切断、伸張、ねじり伸張、結び伸張を受けたSLHの写真。スケールバーは1cmです。

次に、著者らは粒子画像流速測定システムを使用して、JHC の抗力低減性能を研究しました (図 4)。平面 SLH と比較すると、魚鱗構造により JHC の水流速度勾配場が短くなり、水流が乱れのない速度に達するまでの距離が 38.5% 短縮されます。また、JHC 表面上の同じ距離での流速は、SLH 平面上の流速よりも速くなります。

図4. JHCの抗力低減。 (a) 粒子画像流速測定法（PIV）試験システムの概略図。 (b、d) (b) SLH平面および(d) JHC上のPIVテスト写真。 (b、d)の白い斑点はトレーサー粒子です。 (c, e) PIV試験に基づいて計算された(c)SLH平面と(e)JHC表面上の水流速度分布。 (f) SLH平面とJHCの正規化された速度の比較。

最後に、著者らは、3D プリントされたボートの底にハイドロゲルをコーティングすることで、JHC の水中防汚特性を調査しました。結果は、JHC が水中でのアルカン、芳香族および極性有機溶媒、および黄色ブドウ球菌の付着を防ぐことができることを示しました。魚の鱗構造が水中の油汚染防止の鍵であり、キトサン第四級アンモニウム塩がJHCの生物付着抑制の鍵であることがわかります。

図5. JHCの防汚性能(a) 水中でのSLHおよびJHCとn-ヘキサンの接触角。 (b) JHC防汚写真。ヘキサン、ミネラルオイル、トルエン、アセトンをオイルレッドで染色しました。 (ce) 30時間S. aureusと共培養した(c) PDMS、(d) SLH、(e) JHC表面のSEM画像と(f)対応するS. aureusの被覆率。

結論: 魚の鱗と粘液の表面構造にヒントを得て、著者らは 2 段階の UV 照射による抗力低減を実現する STH 層と SLH 層からなる JHC ハイドロゲルコーティングを作製することに成功しました。物理的架橋剤として CQAS を使用した STH 層は、さまざまな表面に対して強力な接着特性を備えています。 SLH 層に化学架橋剤 MBAA を導入することで、魚鱗構造の SLH は優れた機械的強度、耐膨潤性、耐汚染性、抗力低減特性を発揮します。

オリジナルリンク:
https://doi.org/10.1002/cjoc.202300678

武漢大学の薛龍建教授の研究グループ：抗力低減のための魚皮のようなヤヌスハイドロゲルコーティング

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