低アスペクト比のシリカ階層型円柱アレイを用いた水中超撥水表面の開発

Underwater Superoleophobic Surface Based on Silica Hierarchical Cylinder Arrays with a Low Aspect Ratio.

• Wendong Liu
• Siyuan Xiang
• Xueyao Liu
• Bai Yang

抄録

低アスペクト比の階層的シリンダーアレイ（HCA）を用いた超撥水性表面を、フォトリソグラフィを用いたコロイドリソグラフィにより、シリカ基板上に形成することに成功しました。コロイダルリソグラフィーは、コロイド結晶を充填したマスクを介して、パターンを基板にエッチングまたは放射線照射することでパターンを転写する技術であり、フォトリソグラフィーは、フォトレジストを塗布した基板にパターンを写真的に転写し、その後基板をエッチングする技術である。この表面は、スーパーアンチウェッティングで比較的低いアスペクト比を持つ整列したマイクロナノ集積構造を適用するための代替的なアプローチを提供します。得られたHCAは、マイクロおよびナノスケールの構造を1つのシステムに統合することに成功しており、製造アプローチを調整することでHCAの物理構造を調整することができます。ポストモディフィケーションプロセスを用いることで、シリンダーアレイをベースとした表面の水中油濡れ挙動を超疎水状態(油接触角161°)から親油状態(油接触角19°)へと容易に変化させることができました。さらに、この特定の階層構造に刺激応答性ポリマー(PNIPAAm)ブラシをグラフトすることで、水中油濡れ性を超好気性状態(OCA約153°)から親油性状態(OCA約31°)に可逆的に変換することができます。PNIPAAmで表面を改質することで、温度応答性があるため、温度による油の濡れ性（撥水性やべたつき）を制御することが可能となり、油水分離などの応用分野でのHCAの利用が期待されています。

A superantiwetting surface based on low-aspect-ratio hierarchical cylinder arrays (HCAs) was successfully obtained on a silica substrate by colloidal lithography with photolithography. Colloidal lithography is a technique involving transfer of a pattern to a substrate by etching or exposure to a radiation source through a mask composed of a packed colloidal crystal, while photolithography is utilized by which a pattern is transferred photographically to a photoresist-coated substrate, and the substrate is subsequently etched. The surface provides an alternative approach to apply aligned micro-nano integrated structures with a relatively low aspect ratio in superantiwetting. The obtained HCAs successfully integrated micro- and nanoscale structures into one system, and the physical structure of the HCAs can be tuned by modulating the fabrication approach. Using a postmodification process, the underwater-oil wetting behavior of cylinder-array based surfaces can be easily modulated from the superoleophobic state (an oil contact angle (OCA) of 161°) to oleophilic state (an OCA of 19°). Moreover, the underwater-oil wettability can be reversibly transformed from the superoleophobic state (an OCA of approximately 153°) into the oleophilic state (an OCA of approximately 31°) by grafting stimuli-responsive polymer (PNIPAAm) brushes onto this specific hierarchical structure. Due to the temperature-responsive property, modifying the surface with PNIPAAm provides a possibility to control the oil wettability (repellent or sticky) by temperature, which will benefit the use of HCAs in oil-water separation and other application fields.