疎水性物質

化学において、疎水性とは、一見すると水の塊からはじかれる分子の物理的性質（疎水性物質と呼ばれる）である。^[1]対照的に、親水性物質は水に引き付けられる。

疎水性分子は非極性である傾向があり、そのため他の中性分子や非極性溶媒を好みます。水分子は極性があるため、疎水性物質は水分子の間でうまく溶解しません。水中の疎水性分子はしばしば一緒に集まり、ミセルを形成します。疎水性表面上の水は高い接触角を示します。

疎水性分子の例としては、アルカン、油、脂肪、一般的な油性物質などが挙げられます。疎水性材料は、水からの油の除去、油流出の管理、極性化合物から非極性物質を除去する化学分離プロセスに使用されます。^[2]

疎水性は、親油性（脂肪を好む）と互換的に使用されることが多い。しかし、この 2 つの用語は同義語ではない。疎水性物質は通常親油性であるが、シリコーンやフルオロカーボンなどの例外もある。^[要出典]

ハイドロフォブという用語は、古代ギリシャ語の ὑδρόφοβος ( hydrophobos )、「水を恐れる」に由来し、古代ギリシャ語の ὕδωρ (húdōr)  「水」と古代ギリシャ語の φόβος (phóbos)  「恐怖」から構成されています。^[3]

疎水性相互作用は、主に、非極性溶質によって液体の水分子間の非常に動的な水素結合が破壊されることから生じるエントロピー効果であり、水が非極性分子の周りにクラスレートのような構造を形成する原因となる。形成されたこの構造は、水分子が可能な限り相互作用するように配置されるため、自由水分子よりも高度に秩序化されており、その結果、非極性分子が凝集して水にさらされる表面積が減少し、システムのエントロピーが低下するという高いエントロピー状態が生じる。^{[4] [5]したがって、2つの混ざり合わない相（親水性と疎水性）は、対応する界面積が最小限になるように変化する。この効果は、}相分離と呼ばれる現象で視覚化できる。^[要出典]

蓮の葉のような超疎水性表面は、濡れることが極めて難しい表面です。水滴の接触角は150°を超えます。 ^[6]これは蓮の効果と呼ばれ、化学的性質というよりも、主に界面張力に関連する物理的性質です。 ^[7]

1805年、トーマス・ヤングは、気体に囲まれた固体表面上の液滴に作用する力を解析することによって接触角θを定義しました。 ^[8]

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ =\gamma _{\text{SL}}+\gamma _{\text{LG}}\cos \theta \,}$

どこ

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ }$=固体と気体の間の界面張力

${\displaystyle \gamma_{\text{SL}}\}$= 固体と液体の間の界面張力

${\displaystyle \gamma_{\text{LG}}\}$= 液体と気体の間の界面張力

θ は接触角ゴニオメーターを使用して測定できます。

ウェンゼルは、液体が微細構造表面と密接に接触すると、θがθ _W*に変化すると判定しました。

${\displaystyle \cos \theta _{W}*=r\cos \theta \,}$

ここで、r は実際の面積と投影面積の比です。^[9]ウェンゼルの式は、表面を微細構造化すると表面の自然な傾向が増幅されることを示しています。疎水性表面 (元の接触角が 90° より大きいもの) は、微細構造化されるとさらに疎水性になり、新しい接触角は元の接触角よりも大きくなります。一方、親水性表面 (元の接触角が 90° 未満のもの) は、微細構造化されるとさらに親水性になり、新しい接触角は元の接触角よりも小さくなります。^[10] キャシーとバクスターは、液体が微細構造の上部に浮遊している場合、θ がθ _CB*に変化することを発見しました。

${\displaystyle \cos \theta _{\text{CB}}*=\varphi (\cos \theta +1)-1\,}$

ここで、φは固体が液体に接する面積分率である。^[11]カシー・バクスター状態の液体はウェンゼル状態の液体よりも流動性が高い。^[要出典]

両方の式で新しい接触角を計算することで、ウェンゼル状態またはキャシー・バクスター状態のどちらが存在するかを予測できます。自由エネルギーの最小化の議論によれば、より小さな新しい接触角を予測した関係が最も存在する可能性の高い状態です。数学的に言えば、キャシー・バクスター状態が存在するためには、次の不等式が真でなければなりません。^[12]

${\displaystyle \cos \theta <{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}}$

キャシー・バクスター状態の最近の代替基準では、次の2つの基準が満たされたときにキャシー・バクスター状態が存在すると主張している。1)接触線の力が支えられていない液滴の重量による体積力を上回り、2)微細構造が十分に高く、微細構造を橋渡しする液体が微細構造の底部に触れるのを防ぐ。^[13]

ウェンゼル状態とカシー・バクスター状態間の切り替えに関する新しい基準が、表面粗さと表面エネルギーに基づいて最近開発されました。^[14]この基準は、粗い表面上の液滴の下の空気捕捉能力に焦点を当てており、表面粗さとエネルギーの特定の組み合わせに対してウェンゼルモデルとカシー・バクスターモデルのどちらを使用すべきかを判断できます。^[要出典]

接触角は静的疎水性の尺度であり、接触角ヒステリシスとスライド角は動的尺度です。接触角ヒステリシスは、表面の不均一性を特徴付ける現象です。^[15]ピペットが固体に液体を注入すると、液体は何らかの接触角を形成します。ピペットがさらに液体を注入すると、液滴の体積が増加し、接触角が増加しますが、その三相境界は、液滴が突然外側に前進するまで静止したままになります。外側に前進する直前の液滴の接触角を、前進接触角と呼びます。後退接触角は、液体を液滴からポンプで送り出すことによって測定されます。液滴の体積は減少し、接触角は減少しますが、その三相境界は、液滴が突然内側に後退するまで静止したままになります。内側に後退する直前の液滴の接触角を、後退接触角と呼びます。前進接触角と後退接触角の差は接触角ヒステリシスと呼ばれ、表面の不均一性、粗さ、可動性の特徴付けに使用できます。^[16]均質でない表面は、接触線の動きを妨げる領域を持ちます。滑り角は疎水性のもう1つの動的尺度であり、表面に液滴を置き、液滴が滑り始めるまで表面を傾けることによって測定されます。一般に、キャシー・バクスター状態の液体は、 ウェンゼル状態の液体よりも滑り角と接触角ヒステリシスが低くなります。 ^[要出典]

デトレとジョンソンは1964年に超疎水性ロータス効果現象が粗い疎水性表面に関係していることを発見し、パラフィンまたはTFEテロマーでコーティングされたガラスビーズを使った実験に基づいて理論モデルを開発しました。超疎水性マイクロナノ構造表面の自己洗浄特性は1977年に報告されました。^{[17]パーフルオロアルキル、パーフルオロポリエーテル、およびRFプラズマ形成超疎水性材料が開発され、}エレクトロウェッティングに使用され、1986年から1995年の間にバイオメディカル用途で商品化されました。 ^{[18] [19] [20] [21]}他の技術と用途は1990年代半ばから登場しています。^[22] 2002年に、100ナノメートル以下のナノサイズの粒子がマイクロメートルサイズの特徴または粒子を持つ表面を覆う、1段階または2段階で塗布される耐久性のある超疎水性階層構造組成物が発表されました。大きな粒子は、小さな粒子を機械的摩耗から保護することが観察されました。^[23]

最近の研究では、アルキルケテンダイマー（AKD）をナノ構造のフラクタル表面に凝固させることで超疎水性が得られることが報告されています。^[24]それ以来、粒子堆積、^[25]ゾルゲル法、^[26]プラズマ処理、^[27]蒸着、^[25]鋳造法など、超疎水性表面を製造するための製造方法が多くの論文で発表されています。 ^[28]現在、研究のインパクトの機会は、主に基礎研究と実際の製造にあります。^[29] Wenzel および Cassie–Baxter モデルの適用性に関する議論が最近浮上しています。Wenzel および Cassie–Baxter モデルの表面エネルギーの観点に異議を唱え、接触線の観点を促進するように設計された実験では、水滴を、粗い疎水性フィールド内の滑らかな疎水性スポット、滑らかな疎水性フィールド内の粗い疎水性スポット、および疎水性フィールド内の親水性スポットの上に置いていました。^[30]実験では、接触線の表面化学と形状が接触角と接触角ヒステリシスに影響を与えるが、接触線内の表面積は影響を与えないことが示された。接触線のギザギザが増加すると液滴の移動性が向上するという議論も提案されている。^[31]

自然界に存在する多くの疎水性材料はカシーの法則に依存しており、サブミクロンレベルで空気を1成分とする二相性構造をしています。ロータス効果はこの原理に基づいています。これにヒントを得て、多くの機能的な超疎水性表面が開発されました。^[32]

ナノテクノロジーにおけるバイオニックまたはバイオミメティック超疎水性材料の一例としては、ナノピンフィルムがある。^[要出典]

ある研究では、紫外線の影響下で超疎水性と超親水性を可逆的に切り替える五酸化バナジウム表面が紹介されている。 ^[33]この研究によると、例えばインクジェットプリンターを使用して、バラのような V ₂ O _5粒子の懸濁液を塗布することで、どのような表面でもこの効果に変更できます。ここでも、疎水性は層間空気ポケット（2.1 nmの距離で分離）によって誘発されます。紫外線効果も説明されています。紫外線は電子正孔対を作成し、正孔が格子酸素と反応して表面酸素空孔を作成し、電子が V ^{5+ を}V ³⁺に還元します。酸素空孔は水と出会い、バナジウム表面のこの吸水性が親水性になります。暗闇で長期間保管すると、水が酸素に置き換わり、親水性が再び失われます。^[要出典]

疎水性表面の大部分は、コーティングまたは表面処理のいずれかによってバルク材料の表面の構造的または化学的改変によって疎水性が付与されています。つまり、分子種（通常は有機）または構造的特徴の存在により、水の接触角が高くなります。近年、希土類酸化物は固有の疎水性を持つことが示されています。^[34]希土類酸化物の固有の疎水性は、表面の向きと酸素空孔レベルに依存し、コーティングや表面処理よりも自然に堅牢であり、高温または腐食環境で動作するコンデンサーや触媒への応用が期待されています。^[35]

疎水性コンクリートは20 世紀半ばから生産されています。^{[引用が必要]}

超疎水性材料に関する最近の活発な研究は、最終的にはより多くの産業用途につながる可能性がある。^[36]

ゾルゲル法によって綿織物をシリカ^[37]またはチタニア^[38]粒子でコーティングする簡単な方法が報告されており、これにより織物を紫外線から保護し、超疎水性にする。

ポリエチレンを超疎水性にして自己洗浄性を持たせる効率的な方法が報告されている。 ^[39]このような表面の汚れの99%は簡単に洗い流される。

パターン化された超疎水性表面は、ラボオンチップマイクロ流体デバイスにも有望であり、表面ベースのバイオ分析を大幅に改善することができます。^[40]

医薬品においては、医薬品混合物の疎水性は、薬物の溶解性や硬度など、最終製品の重要な品質特性に影響を及ぼします。^[41]医薬品材料の疎水性を測定する方法が開発されています。^{[42] [43]}

疎水性パッシブ昼間放射冷却（PDRC）表面の開発は、太陽光反射率と熱放射率の有効性が清浄度によって決まるが、これらの表面の「自己洗浄」を改善した。VOCを回避するスケーラブルで持続可能な疎水性PDRCがさらに開発されている。^[44]

• フロス浮選法 – 疎水性物質を親水性物質から選択的に分離するプロセス
• 親水性 – 水に引き付けられる分子実体
• 疎水効果 – 水溶液中の非極性分子の凝集
• 疎水性スケール – アミノ酸残基の相対的な疎水性または親水性フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• シリコン有機撥水剤
• 超疎水性コーティング – 撥水コーティング
• 超撥水性、超撥水性とも呼ばれる - 濡れに対して極めて耐性のある材料特性

• 超疎水性表面とは何ですか?