体表ナノ構造は水中で接着力・摩擦力を低減するか？：生物模倣材料を用いた検証

体表纳米结构会减少水中的粘附力和摩擦力吗？

• 批准号: 21K06252
• 负责人: 広瀬 裕一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: University of the Ryukyus
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K06252/
• 关键词: ナノ構造; 水棲生物; 表面物性; バイオミメティクス; 生物汚損

本研究は生物体表のナノ構造の水中における機能を検証することを目的としており、水棲無脊椎動物に認められるナノ構造を模倣した合成材料を利用して、水中における表面物性の実測を通して、ナノ構造の機能性を明らかにするものである。空気中ではナノ構造表面の接着力が平滑面よりも小さいことから、昆虫体表に見られるナノスケールのニップルアレイ構造には防汚機能があると推定されている。水棲生物の体表からもニップルアレイ構造は知られているが、水中での接着力は空気中よりも小さいため、同様な機能があるかどうか検証されていなかった。本研究ではナノスケールのニップルアレイ構造を持つ合成材料モスマイトを用いて、水中におけるナノ構造表面の吸着力・接着力の計測を行い、水中においてもナノ構造表面の吸着力・接着力はともに平滑面よりも有意に小さいことを明らかにした。従って、体表にナノ構造を持つ生物では、泥の粒子など微小なゴミの付着が低減されていると考えられる。これについては論文発表（2021年度）を行い、2022年度には国際学会での発表と国内学界での招待講演を行なっている。2022年度はナノ構造表面上の摩擦力計測を目的として、２軸力センサを用いた計測装置の開発を進めた。当初、シリコーンゴム球をプローブとした計測装置を試作し、これをもとに機械的ノイズを低減する改良を繰り返し、現在のセラミック球をプローブとした改良型計測装置に至っている。本装置を用いて、周期構造（後述）を材料に予備的な計測に成功しており、周期サイズやプローブサイズによって摩擦力が異なることがわかってきた。また水棲生物体表のナノ構造の模倣材料としてナノスケールの褶曲の周期構造を作成し、摩擦力計測への利用をはじめた。さらに同材料をバイオアッセイに利用する準備を進めている。

This study は biological surface の ナ ノ tectonic の water に お け る function を 検 card す る こ と を purpose と し て お り, aquatic invertebrates に め ら れ る ナ ノ tectonic を imitate し た synthetic materials を using し て, water に お け る の surface physical properties be を flux measurement し て, ナ ノ tectonic の functional を Ming ら か に す る も の で あ る. In the empty 気 で は ナ ノ の structure surface after emphatically が smooth surface よ り も small さ い こ と か ら, insect body に see ら れ る ナ ノ ス ケ ー ル の ニ ッ プ ル ア レ イ tectonic に は antifouling function が あ る と presumption さ れ て い る. Aquatic organisms の surface か ら も ニ ッ プ ル ア レ イ tectonic は know ら れ て い る が, water で の pick on は in empty 気 よ り も small さ い た め, with others in な function が あ る か ど う か 検 card さ れ て い な か っ た. This study で は ナ ノ ス ケ ー ル の ニ ッ プ ル ア レ イ tectonic を hold つ synthetic materials モ ス マ イ ト を with い て, water に お け る ナ ノ の suck on structure surface, connect to の measuring line を い, water に お い て も ナ ノ の suck on structure surface, connect to は と も に smooth surface よ り も intentionally に small さ い こ と を Ming ら か に し た. 従 っ て, surface に ナ ノ tectonic を holds つ creature で は, mud の particle な ど tiny な ゴ ミ の pay the が low cut さ れ て い る と exam え ら れ る. こ れ に つ い て は paper 発 table (2021) を い, 2022 annual に は international society で の 発 table と domestic academic circles で の entertaining speeches を line な っ て い る. 2022 annual は ナ ノ の structure surface friction measuring を purpose と し て, 2 axial force セ ン サ を with い た measuring device の open 発 を into め た. At the beginning, シ リ コ ー ン ゴ ム ball を プ ロ ー ブ と し た measuring device を try し, こ れ を も と に mechanical ノ イ ズ を low cut す る improved を Qiao り return し, now の セ ラ ミ ッ ク ball を プ ロ ー ブ と し た improved measuring apparatus に to っ て い る. This device を い て, periodic structure (described below) に を materials to prepare な measuring に successful し て お り, cycle サ イ ズ や プ ロ ー ブ サ イ ズ に よ っ て friction が different な る こ と が わ か っ て き た. ま た aquatic biological surface の ナ ノ tectonic の imitation material と し て ナ ノ ス ケ ー ル の fold structure を の cycle made し, friction measuring へ の using を は じ め た. Youdaoplaceholder0 uses the same material as をバ アッセ アッセ アッセ に に to prepare を into めて る る る.

项目成果

Keeping a Clean Surface under Water: Nanoscale Nipple Array Decreases Surface Adsorption and Adhesion Forces

保持水下表面清洁：纳米级乳头阵列减少表面吸附和粘附力

• DOI: 10.3390/jmse10010081
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Marine Science and Engineering
• 影响因子: 2.9
• 作者: Uesugi Kaoru;Nagayama Kazuaki;Hirose Euichi
• 通讯作者: Hirose Euichi

Nipple array of tunic cuticle: a review of the multifunctional nanostructure under water

外衣角质层的乳头阵列：水下多功能纳米结构的综述

• 发表时间: 2022
• 作者: Hirose;E
• 通讯作者: E

海の動物における体表ニップルアレイ構造の多機能性と進化

海洋动物乳头阵列结构的多功能性和进化

• 发表时间: 2023
• 作者: 木村賢一;山元大輔;ジョン・ジンウン，小川宏人;広瀬裕一
• 通讯作者: 広瀬裕一

Nipple array reduces adhesion force in the water: Evaluation of functional nano-scale structures of ascidians surface

乳头阵列降低水中的粘附力：海鞘表面功能性纳米级结构的评估

• 发表时间: 2021
• 作者: Uesugi K;Nagayama K;Hirose E
• 通讯作者: Hirose E