(57)【要約】本発明は、全体として、少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を含む物品に関する。表面は、表面上への滴の衝突によって生じる液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、滴と表面との間の接触時間を短縮させる。一態様において、本発明は、少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を含む物品に関し、該表面は、表面上への滴の衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、滴と表面との間の接触時間を短縮させる。【選択図】図３
2014531326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を備える物品であって、前記表面は、前記表面上への滴の衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、前記滴と前記表面との間の接触時間を短縮させる、物品。
【請求項２】
前記非湿潤性表面は、超疎水性である、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記非湿潤性表面は、超疎油性である、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記非湿潤性表面は、超疎金属性である、請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記表面は、非湿潤性材料を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の物品。
【請求項６】
前記表面は、非湿潤性特徴を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の物品。
【請求項７】
前記非湿潤性特徴は、ナノスケール孔である、請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記表面は、そのライデンフロスト温度を超えて加熱される、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項９】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、Ａｒ／ｈは、約０．０１よりも大きく、λｒ／Ａｒは、約１以上であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１０】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、Ａｒ／ｈは、約０．０１〜約１００であり、λｒ／Ａｒは、約１以上であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１１】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、Ａｒ／ｈは、約０．１〜約１０であり、λｒ／Ａｒは、約１以上であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１２】
前記物品は、風力タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、０．０００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ≧０．０００１ｍｍである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１３】
前記物品は、防雨用製品であり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、０．０００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ≧０．０００１ｍｍである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１４】
前記物品は、蒸気タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１５】
前記物品は、外装用航空機部品であり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１６】
前記物品は、ガスタービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を備え、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１７】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、Ａｐ／ｈ＞０．０１およびλｐ／Ａｐ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１８】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、１００＞Ａｐ／ｈ＞０．０１およびλｐ／Ａｐ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項１９】
前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、１０＞Ａｐ／ｈ＞０．１およびλｐ／Ａｐ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２０】
前記マクロスケール特徴は、半球状の突起である、請求項１〜８および１７〜１９のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２１】
前記物品は、風力タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．０００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．０００２ｍｍである、請求項１〜８および１７〜２０のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２２】
前記物品は、防雨用製品であり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．０００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．０００２ｍｍである、請求項１〜８および１７〜２１のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２３】
前記物品は、蒸気タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．００００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および１７〜２２のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２４】
前記物品は、外装用航空機部品であり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．００００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および１７〜２３のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２５】
前記物品は、ガスタービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を備え、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．００００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および１７〜２４のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２６】
前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルを含み、Ａｃ／ｈ＞０．０１およびλｃ／Ａｃ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２７】
前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、１００＞Ａｃ／ｈ＞０．０１および５００≧λｃ／Ａｃ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２８】
前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、５０＞Ａｃ／ｈ＞０．１および５００≧λｃ／Ａｃ≧２であり、ここで、ｈは、前記表面上への滴衝突時のラメラ厚である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項２９】
前記物品は、防雨用製品であり、前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルを含み、０．０００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．０００２ｍｍである、請求項１〜８および２６〜２８のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３０】
前記物品は、風力タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、０．０００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．０００２ｍｍである、請求項１〜８および２６〜２９のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３１】
前記物品は、蒸気タービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および２６〜３０のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３２】
前記物品は、外装用航空機部品であり、前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および２６〜３１のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３３】
前記物品は、ガスタービンブレードであり、前記マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルで構成され、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである、請求項１〜８および２６〜３２のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３４】
前記表面は、アルカンを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３５】
前記表面は、フルオロポリマーを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３６】
前記表面は、テフロン（登録商標）、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シラン（ＴＣＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシルトリクロロシラン、フルオロＰＯＳＳ、セラミック材料、ポリマー材料、フッ素化材料、金属間化合物、および複合材料から成る群から選択される、少なくとも１つの部材を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３７】
前記表面は、ポリマー材料を含み、前記ポリマー材料は、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロアクリレート、フルオロエウラタン（ｆｌｕｏｒｏｅｕｒａｔｈａｎｅ）、フルオロシリコーン、フルオロシラン、改質カーボネート、クロロシラン、およびシリコーンのうちの少なくとも１つを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３８】
前記表面は、セラミック材料を含み、前記セラミック材料は、炭化チタン、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭窒化チタン、無電解ニッケル、窒化ジルコニウム、フッ素化二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、ダイヤモンド状炭素、およびフッ素化ダイヤモンド状炭素のうちの少なくとも１つを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項３９】
前記表面は、金属間化合物を含み、前記金属間化合物は、ニッケルアルミナイドおよびチタンアルミナイドのうちの少なくとも１つを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項４０】
前記物品は、コンデンサである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項４１】
前記物品は、放射性物質を貯蔵するための滴遮蔽物である、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項４２】
前記物品は、セルフクリーニング太陽電池パネルである、先行する請求項のいずれか１項に記載の物品。
【請求項４３】
少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を備える噴霧化器であって、前記表面は、前記表面上への滴の衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、前記表面の前記滴の分裂を促進する、噴霧化器。
【請求項４４】
前記非湿潤性表面は、超疎金属性である、の請求項４３に記載の噴霧化器。
【請求項４５】
前記滴は、溶融金属を含む、請求項４３に記載の噴霧化器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年８月３日に出願された米国仮特許出願第６１／５１４，７９４号への優先権およびその利益を主張し、その全てを参照することにより本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明は、全体として、衝突液体を操作する表面に関する。より具体的には、本発明は、ある実施形態において、衝突液体と表面との間に接触時間を短縮させる、表面のマクロスケール特徴に関する。
【背景技術】
【０００３】
超疎水性は、表面が水との接触に抵抗するときの表面の特性であり、自己洗浄、液体−固体間の抗力低減、および撥水性等の、多種多様な応用におけるその可能性のため、過去１０年間の精力的な研究の話題となっている。超疎水性表面の撥水性は、しばしば、ミリメートル程度の水滴を超疎水性表面上に衝突させてそれを撮影する、滴衝突実験によって研究される。適切な表面設計によって、滴は、完全に跳ね返らせることができる。しかしながら、跳ね返らせるのに要する時間−以下、接触時間と称される−は、質量、運動量、および／またはエネルギーの相互作用が、接触時間中に滴と表面との間で起こるため、極めて重要である。例えば、水滴が凍結する前に飛行機の翼から水滴が跳ね返れば、翼を除氷するために必要とされるエネルギーを低減させることができる。
【０００４】
最近の文献は、理論的最小接触時間ｔｃがあることを示唆している。非特許文献１、および非特許文献２を参照されたい。具体的には、接触時間に対する接触線固定の影響を推定するモデルにより、接触時間を次のように測定することが見出されている。
【数１】
2014531326.tif 000003
式中、ｔｃは、滴の接触時間であり、Ｒは、滴の半径であり、ρは、密度であり、γは、固定割合
【化１】
2014531326.tif 000004
によって超疎水性表面で跳ね返る、滴の表面張力である。
【化２】
2014531326.tif 000005
のように表面固定を完全に除去することができる場合であったとしても、依然として、滴の流体力学によって限定される最小接触時間がある。
滴と表面との間の接触時間を減少させるために、改善された撥液性に対する新しい物品、デバイス、および方法が必要である。理論的最小値未満の接触時間は、これまで不可能であると考えられていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｍ．Ｒｅｙｓｓａｔ，Ｄ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｃ．Ｃｌａｎｅｔ，ａｎｄ  Ｄ．Ｑｕｅｒｅ，Ｆａｒａｄａｙ  Ｄｉｓｃｕｓｓ．，２０１０，１４６，ｐｐ．１９−３３
【非特許文献２】Ｄ．Ｑｕｅｒｅ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，４１７，ｐｐ．８１１
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で提示される物品、デバイス、および方法は、衝突滴のモルフォロジを操作することができ、滴とその目標表面との間の接触時間の大幅な（例えば、式１の理論的最小値予測を５０％超えて下回る）低減につながる、独自の表面設計を組み込む。これらの設計は、滴衝突によって悪影響を受ける、多種多様な製品の性能を改善することができる。そのような製品の例としては、防雨用消費製品、蒸気タービンブレード、風力タービンブレード、航空機の翼、エンジンブレード、ガスタービンブレード、噴霧化器、およびコンデンサが挙げられる。
【０００７】
本明細書で説明される物品、デバイス、および方法は、超疎水性表面を使用する撥水性の分野において、以前の手法に勝る複数の利点を提供する。例えば、本物品、デバイス、および方法は、既存の論文で報告された最良の接触時間（すなわち、上の式１によって予測される最小接触時間）と比較して、接触時間の大幅な（例えば、５０％を超える）短縮につながる。この接触時間の驚くべき短縮は、（用途に依存する）質量、運動量、またはエネルギーの拡散を制御することだけでなく、近傍の衝突滴からの衝撃に起因して滴が表面に固着するのを防止することにも望ましい。加えて、本明細書で説明される手法は、現行の工具によって機械加工または製造することが容易であるマクロスケール特徴を導入することに依存しているので、より実際的であり、拡張性がある。対照的に、以前の手法は、ミクロン〜サブミクロン特徴の使用に重点を置いており、それらは、製造が困難であり、また、良くても、式１によって予測される最小値には近づくがそれを下回らない接触時間しか提供しない。本明細書で説明される物品、デバイス、方法を使用して達成される接触時間は、式１によって限定される、蓮の葉（最もよく知られている超疎水性表面）によって達成できる接触時間よりも短い。
【０００８】
本明細書で説明される物品、デバイス、および方法は、滴撥水性が望ましい多種多様な産業および用途で使用され得る。例えば、レインウエア、傘、自動車カバー等の防雨用布地を製造する繊維会社は、布地の防水性能を大幅に向上させることができる。同様に、蒸気タービンを製造するエネルギー供給会社は、蒸気の中に同伴される水滴によって引き起こされる、湿気によって誘発される効率損失を低減させることができ、該水滴は、タービンブレード上に衝突して膜を形成し、それによって電力出力を低減させる。発電所および淡水化プラントにおけるコンデンサは、滴下排出凝縮熱伝達を促進するために、本明細書で説明されるデバイスおよび方法を利用し得る。さらに、航空機および風力のタービン用途では、滴が凍結し、それによって空気力学的性能を低下させることを防止するために、航空機の表面に衝突する過冷却水滴の接触時間を短縮させることが望ましい。噴霧化器用途では、エンジン、農業、および製薬業界での用途に対する新しい噴霧化器を作成するために、滴を分裂させる表面の能力を使用することができる。ガスタービン圧縮器では、油膜形成を防止し、汚れを低減させるために、本明細書で説明されるデバイスおよび方法が用いられ得る。
【０００９】
一態様において、本発明は、少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を含む物品に関し、該表面は、表面上への滴の衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、滴と表面との間の接触時間を短縮させる。ある実施形態において、非湿潤性表面は、超疎水性、超疎油性、および／または超疎金属性である。一実施形態において、表面は、非湿潤性材料を含む。表面は、そのライデンフロスト温度を超えて加熱され得る。
【００１０】
ある実施形態において、表面は、ナノスケール孔等の非湿潤性特徴を含む。ある実施形態において、マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を含み、Ａｒ／ｈは、約０．０１よりも大きく、λｒ／Ａｒは、約１以上であり、ここで、ｈは、表面上への滴衝突時のラメラ厚である。ある実施形態において、Ａｒ／ｈは、約０．０１〜約１００であり、λｒ／Ａｒは、約１以上である。一実施形態において、Ａｒ／ｈは、約０．１〜約１０であり、λｒ／Ａｒは、約１以上である。
【００１１】
ある実施形態において、物品は、風力タービンブレードであり、マクロスケール特徴は、高さＡｒおよび間隔λｒを有する隆起を含み、０．０００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ≧０．０００１ｍｍである。ある実施形態において、物品は、防雨用製品であり、０．０００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ≧０．０００１ｍｍである。いくつかの実施形態において、物品は、蒸気タービンブレードであり、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである。一実施形態において、物品は、外装用航空機部品であり、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである。物品は、ガスタービンブレードであり得、０．００００１ｍｍ＜Ａｒおよびλｒ＞０．０００１ｍｍである。
【００１２】
ある実施形態において、マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を含み、それらの中心は、距離λｐで分割され、Ａｐ／ｈ＞０．０１およびλｐ／Ａｐ≧２であり、ここで、ｈは、表面上への滴衝突時のラメラ厚である。ある実施形態では、１００＞Ａｐ／ｈ＞０．０１、およびλｐ／Ａｐ≧２である。一実施形態では、１０＞Ａｐ／ｈ＞０．１、およびλｐ／Ａｐ≧２である。マクロスケール特徴は、半球状の突起であり得る。
【００１３】
ある実施形態において、物品は、風力タービンブレードであり、マクロスケール特徴は、高さＡｐを有する突起を含み、それらの中心は、距離λｐで分割され、０．０００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．０００２ｍｍである。ある実施形態において、物品は、防雨用製品であり、０．０００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．０００２ｍｍである。種々の実施形態において、物品は、蒸気タービンブレードであり、０．００００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２ｍｍである。ある実施形態において、物品は、外装用航空機部品であり、０．００００１ｍｍ＜Ａｐ、およびλｐ≧０．００００２ｍｍである。物品は、ガスタービンブレードであり得、０．００００１ｍｍ＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２ｍｍである。
【００１４】
ある実施形態において、マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルを含み、Ａｃ／ｈ＞０．０１およびλｃ／Ａｃ≧２であり、ここで、ｈは、表面上への滴衝突時のラメラ厚である。ある実施形態では、１００＞Ａｃ／ｈ＞０．０１および５００≧λｃ／Ａｃ≧２である。種々の実施形態では、１００＞Ａｃ／ｈ＞０．１および５００≧λｃ／Ａｃ≧２である。本明細書で使用されるとき、「正弦波」は、振幅および周期を有する任意の湾曲形状を包含する。
【００１５】
ある実施形態において、物品は、防雨用製品であり、マクロスケール特徴は、振幅Ａｃおよび周期λｃを有する正弦波プロファイルを含み、０．０００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．０００２ｍｍである。一実施形態において、物品は、風力タービンブレードであり、０．０００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．０００２ｍｍである。物品は、蒸気タービンブレードであり得、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである。物品は、外装用航空機部品であり得、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである。ある実施形態において、物品は、ガスタービンブレードであり、０．００００１ｍｍ＜Ａｃおよびλｃ≧０．００００２ｍｍである。
【００１６】
ある実施形態において、表面は、アルカンを含む。一実施形態において、表面は、フルオロポリマーを含む。ある実施形態において、表面は、テフロン（登録商標）、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シラン（ＴＣＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシルトリクロロシラン、フルオロＰＯＳＳ、セラミック材料、ポリマー材料、フッ素化材料、金属間化合物、および複合材料から成る群から選択される、少なくとも１つの部材を含む。ある実施形態において、表面は、ポリマー材料を含み、ポリマー材料は、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロアクリレート、フルオロエウラタン（ｆｌｕｏｒｏｅｕｒａｔｈａｎｅ）、フルオロシリコーン、フルオロシラン、改質カーボネート、クロロシラン、およびシリコーンのうちの少なくとも１つを含む。ある実施形態において、表面は、セラミック材料を含み、セラミック材料は、炭化チタン、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭窒化チタン、無電解ニッケル、窒化ジルコニウム、フッ素化二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、ダイヤモンド状炭素、およびフッ素化ダイヤモンド状炭素のうちの少なくとも１つを含む。ある実施形態において、表面は、金属間化合物を含み、金属間化合物は、ニッケルアルミナイドおよびチタンアルミナイドのうちの少なくとも１つを含む。ある実施形態において、物品は、コンデンサである。物品は、放射性物質を貯蔵するための滴遮蔽物であり得る。ある実施形態において、物品は、セルフクリーニング太陽電池パネルである。
【００１７】
別の態様において、本発明は、少なくとも約９０°の動的接触角を有する非湿潤性表面を備える噴霧化器に関し、該表面は、表面上への滴の衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を誘発するように構成される、マクロスケール特徴でパターン化され、それによって、表面の滴の分裂を促進する。上の実施形態の要素の説明は、本発明のこの態様にも適用することができる。ある実施形態において、非湿潤性表面は、超疎金属性である。ある実施形態において、滴は、溶融金属を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の対象および特徴は、以下で説明される図面、および特許請求の範囲を参照してよりよく理解され得る。図面は、必ずしも原寸に比例しているとは限らず、代わりに、全体として本発明の原理を例示する部分が強調されている。図面において、種々の図の全体を通して同じ部品を示すために、同じ数字が使用される。
【００１９】
本発明は、特定の実施例および実施形態を参照して本明細書で具体的に示され、説明されているが、形態および詳細における種々の変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくそこになされてもよいことが、当業者には理解されるはずである。
【図１ａ】本発明の例示的実施形態による、静的接触角測定中に表面にある滴の概略側面図である。
【図１ｂ】本発明の例示的実施形態による、それぞれ、表面で拡大する液体、および後退する液体の概略側面図である。
【図１ｃ】本発明の例示的実施形態による、それぞれ、表面で拡大する液体、および後退する液体の概略側面図である。
【図１ｄ】本発明の例示的実施形態による、角度付きの表面にある滴の概略側面図である。
【図１ｅ】本発明の例示的実施形態による、超疎水性表面に衝突する水滴（直径２．７ｍｍ）の代表的な側面図である。
【図１ｆ】本発明の例示的実施形態による、超疎水性表面に衝突する水滴（直径２．７ｍｍ）の代表的な上面図である。
【図２ａ】本発明の例示的実施形態による、衝突後の、図１ｂに類似する対称性の反跳を起こしている滴の概略上面図である。
【図２ｂ】本発明の例示的実施形態による、穴の核生成のため非対称性の反跳を起こしている滴の概略上面図である。
【図２ｃ】本発明の例示的実施形態による、クラックの発生のため非対称性の反跳を起こしている滴の概略上面図である。
【図２ｄ】本発明の例示的実施形態による、ラメラを形成するように湾曲表面上へ拡大した滴の概略側面図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による、後退する液体膜にクラックを引き起こすための表面の概略側面図および詳細図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による、平坦面で反跳している滴の概略上面図および断面図である。
【図５】本発明の例示的実施形態による、隆起上で反跳している滴の概略上面図および断面図である。
【図６ａ】本発明の例示的実施形態による、レーザラスタリングを使用してシリコンウエハ上に作成したマクロスケール隆起（高さ約１５０μｍ、幅約２００μｍ）の上面画像である。
【図６ｂ】本発明の例示的実施形態による、レーザラスタリングを使用してシリコンウエハ上に作成したマクロスケール隆起（高さ約１５０μｍ、幅約２００μｍ）の断面画像である。
【図６ｃ】本発明の例示的実施形態による、レーザラスタリングを使用してシリコンウエハ上に作成したマクロスケール隆起（高さ約１５０μｍ、幅約２００μｍ）の高倍率の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図６ｄ】本発明の例示的実施形態による、図６ａ〜６ｃの隆起への滴衝突の高速度撮影画像である。
【図７ａ】本発明の例示的実施形態による、陽極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）表面に機械加工されたマクロスケール隆起（高さ約１００μｍ、幅約２００μｍ）のＳＥＭ画像である。
【図７ｂ】本発明の例示的実施形態による、ナノスケール孔を示す、図７ａのＡＡＯ表面の高倍率ＳＥＭ画像である。
【図７ｃ】本発明の例示的実施形態による、図７ａの隆起への滴衝突の高速度撮影画像である。
【図８】本発明の例示的実施形態による、表面のマクロスケール突起の概略斜視図である。
【図９ａ】本発明の例示的実施形態による、陽極酸化チタン酸化物（ＡＴＯ）表面に機械加工されたマクロスケール突起（約５０〜１００μｍ）のＳＥＭ画像である。
【図９ｂ】本発明の例示的実施形態による、ナノスケール特徴を示す、図９ａのＡＴＯ表面の高倍率ＳＥＭ画像である。
【図９ｃ】本発明の例示的実施形態による、図９ａの表面への滴衝突の高速度撮影画像である。
【図１０】本発明の例示的実施形態による、後退する液体膜に湾曲を引き起こすためのマクロスケール正弦波プロファイルを有する表面の概略断面図および詳細な概略断面図である。
【図１１ａ】本発明の例示的実施形態による、シリコン上に作成したマクロスケール正弦波表面を示す写真および高倍率ＳＥＭのサブミクロン特徴を示す画像である。
【図１１ｂ】本発明の例示的実施形態による、図１１ａの表面への滴衝突の高速度撮影画像である。
【図１２ａ】本発明の例示的実施形態による、衝突の瞬間の、固体表面への滴衝突の概略図である。
【図１２ｂ】本発明の例示的実施形態による、拡大中の、固体表面への滴衝突の概略図である。
【図１２ｃ】本発明の例示的実施形態による、拡大が止まった瞬間の、固体表面への滴衝突の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
特許請求される本発明の組成物、混合物、システム、デバイス、方法およびプロセスは、本明細書で説明される実施形態からの情報を使用して開発される変形および適応を包含することが想定される。本明細書で説明される組成物、混合物、システム、デバイス、方法、およびプロセスの適応および／または修正は、当業者によって行われ得る。
【００２１】
説明の全体を通して、デバイスおよびシステムが、特定の構成要素を有する、含む、または備えるものとして説明される場合、または、処理および方法が、特定のステップを有する、含む、または備えるものとして説明される場合、追加的に、列挙される構成要素から本質的に成る、またはそれらから成る、本発明のシステムがあること、および列挙される処理ステップから本質的に成る、またはそれらから成る、本発明による処理および方法があることが想定される。
【００２２】
同様に、デバイス、混合物、および組成物が、特定の化合物および／または材料を有する、含む、または備えるものとして説明される場合、追加的に、列挙される化合物および／または材料から本質的に成る、またはそれらから成る、本発明の混合物および組成物があることが想定される。
【００２３】
本発明が動作可能な状態を維持するのであれば、ステップの順序またはあるアクションを行う順序は重要でないことを理解されたい。さらに、２つ以上のステップまたはアクションが、同時に実行され得る。
【００２４】
本明細書での、例えば背景技術の項での任意の刊行物の記載は、その刊行物が、本明細書で提示される請求項のいずれかに関して従来技術としての役割を果たすことを承認するものではない。背景技術の項は、明確にする目的で提示されており、任意の請求項に関する従来技術の説明を意味するものではない。
【００２５】
図１ａを参照すると、ある実施形態において、液体と固体との間の静的接触角
【化３】
2014531326.tif 000006
は、３つの相−固体、液体、蒸気−が接する接触線の接線と水平線との間で測定されるように、固体表面１４上の液滴１２によって形成される角度として定義される。「接触角」という用語は、いかなる動きも伴わずに固体の上にただ液体があるだけなので、通常、静的接触角
【化４】
2014531326.tif 000007
を暗示する。
【００２６】
本明細書で使用されるとき、動的接触角
【化５】
2014531326.tif 000008
は、固体表面１８上の移動液体１６によって成される接触角である。滴衝突の文脈において、
【化６】
2014531326.tif 000009
は、図１ｂおよび図１ｃでそれぞれ示されるように、前進運動中または後退運動中のいずれかに存在し得る。
【００２７】
本明細書で使用されるとき、表面が少なくとも９０度の液体との動的接触角を有する場合、表面は、「非湿潤性」である。非湿潤性表面の例としては、例えば、超疎水性表面および超疎油性表面が挙げられる。
【００２８】
本明細書で使用されるとき、接触角ヒステリシス（ＣＡＨ）は、
【数２】
2014531326.tif 000010
であり、式中、
【化７】
2014531326.tif 000011
は、それぞれ、液体２０によって固体表面２２上に形成される、前進接触角および後退接触角である。図１ｄを参照すると、前進接触角
【化８】
2014531326.tif 000012
は、接触線が前進しようとする瞬間に形成される接触角であり、一方で、後退接触角
【化９】
2014531326.tif 000013
は、接触線が後退しようとしているときに形成される接触角である。
【００２９】
本明細書で使用されるとき、「非湿潤性特徴」は、表面化学とともに、表面を非湿潤性にする、表面の物理的テクスチャ（例えば、フラクタルを含むランダムな、またはパターン化された表面粗さ）である。ある実施形態において、非湿潤性特徴は、表面の化学的、電気的、および／または機械的処理によって生じる。ある実施形態において、非湿潤性特徴が本質的に疎水性の表面に導入されると、該本質的に疎水性の表面は、超疎水性になり得る。同様に、非湿潤性特徴が本質的に疎油性の表面に導入されると、該本質的に疎油性の表面は、超疎油性になり得る。同じく、非湿潤性特徴が本質的に疎金属性の表面に導入されると、該本質的に疎金属性の表面は、超疎金属性になり得る。
【００３０】
ある実施形態において、非湿潤性特徴は、マイクロスケールまたはナノスケール特徴である。例えば、非湿潤性特徴は、約１００ミクロン未満、約１０ミクロン未満、約１ミクロン未満、約０．１ミクロン未満、または約０．０１ミクロン未満である、長さスケールＬｎ（例えば、平均孔直径または平均突起高さ）を有し得る。本明細書で説明される、マクロスケール特徴と関連付けられる長さスケールＬｍと比較して、非湿潤性特徴の長さスケールは、一般的に、少なくとも１桁小さい。例えば、表面が、１ミクロンの長さスケールＬｍを有するマクロスケール特徴を含むとき、表面の非湿潤性特徴は、０．１ミクロン未満である長さスケールＬｎを有する。ある実施形態において、非湿潤性特徴の長さスケールに対するマクロスケール特徴の長さスケールの比率（すなわち、Ｌｍ／Ｌｎ）は、約１０よりも大きいか、約１００よりも大きいか、約１０００よりも大きいか、または約１０，０００よりも大きい。
【００３１】
本明細書で使用されるとき、「超疎水性」表面は、少なくとも１２０度の水との静的接触角、および３０度未満のＣＡＨを有する表面である。ある実施形態において、本質的に疎水性の材料（すなわち、少なくとも９０度の水との固有の接触角を有する材料）は、非湿潤性特徴を含むとき、超疎水性特性を呈する。超疎水性には、一般的に、ナノスケールの非湿潤性特徴が好ましい。非湿潤性特徴が与えられたときに超疎水性特性を呈する、本質的に疎水性の材料の例としては、アルカン等の炭化水素、ならびにテフロン（登録商標）、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シラン（ＴＣＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシルトリクロロシラン、およびフルオロＰＯＳＳ等のフルオロポリマーが挙げられる。
【００３２】
本明細書で使用されるとき、「超疎油性」表面は、少なくとも１２０度の油との静的接触角、および３０度未満の油とのＣＡＨを有する表面である。油は、例えば、水の表面張力よりもかなり低い表面張力を伴う、種々の液体材料であり得る。そのような油の例としては、アルカン（例えば、デカン、ヘキサデカン、オクタン）、シリコーン油、およびフルオロカーボンが挙げられる。ある実施形態において、本質的に疎油性の材料（すなわち、少なくとも９０度の油との固有の接触角を有する材料）は、非湿潤性特徴を含むとき、超疎油性特性を呈する。非湿潤性特徴は、ランダムであるか、またはパターン化され得る。非湿潤性特徴が与えられたときに超疎油性特性を呈する、本質的に疎油性の材料の例としては、テフロン（登録商標）、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シラン（ＴＣＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシルトリクロロシラン、フルオロＰＯＳＳ、および他のフルオロポリマーが挙げられる。
【００３３】
本明細書で使用されるとき、「超疎金属性」表面は、少なくとも１２０度の液体金属との静的接触角、および３０度未満の液体金属とのＣＡＨを有する表面である。ある実施形態において、本質的に疎金属性の材料（すなわち、少なくとも９０度の液体金属との固有の接触角を有する材料）は、非湿潤性特徴を含むとき、超疎金属性特性を呈する。非湿潤性特徴は、ランダムであるか、またはパターン化され得る。非湿潤性特徴を含むとき、超疎金属性特性を呈する、本質的に疎金属性の材料の例としては、テフロン（登録商標）、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シラン（ＴＣＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロデシルトリクロロシラン、フルオロＰＯＳＳ、および他のフルオロポリマーが挙げられる。疎金属性材料の例としては、ステンレス鋼上の溶融スズ、二酸化ケイ素、およびニオブ上の溶融銅が挙げられる。
【００３４】
ある実施形態において、本質的に疎水性の材料および／または本質的に疎油性の材料としては、セラミック、ポリマー材料、フッ素化材料、金属間化合物、および複合材料が挙げられる。ポリマー材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロアクリレート、フルオロエウラタン（ｆｌｕｏｒｏｅｕｒａｔｈａｎｅ）、フルオロシリコーン、フルオロシラン、改質カーボネート、クロロシラン、シリコーン、および／またはそれらの組み合わせが挙げられ得る。セラミックとしては、例えば、炭化チタン、窒化チタン、窒化クロム、窒化ホウ素、炭化クロム、炭化モリブデン、炭窒化チタン、無電解ニッケル、窒化ジルコニウム、フッ素化二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化タンタル、窒化タンタル、ダイヤモンド状炭素、フッ素化ダイヤモンド状炭素、および／またはそれらの組み合わせが挙げられる。金属間化合物としては、例えば、ニッケルアルミナイド、チタンアルミナイド、および／またはそれらの組み合わせが挙げられる。
【００３５】
本明細書で使用されるとき、固有の接触角は、液体と完全に平坦で理想的な表面との間で形成される、静的接触角である。この角度は、一般的に、ゴニオメーターで測定される。以下の刊行物は、固有の接触角を測定するための、さらなる方法を説明し、該刊行物は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。Ｃ．Ａｌｌａｉｎ，Ｄ．Ａｕｓｓｅｒｅ，ａｎｄ  Ｆ．Ｒｏｎｄｅｌｅｚ，Ｊ．Ｃｏｌｌｏｉｄ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｓｃｉ．，１０７，５（１９８５）、Ｒ．Ｆｏｎｄｅｃａｖｅ，ａｎｄ  Ｆ．Ｂｒｏｃｈａｒｄ−Ｗｙａｒｔ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，３１，９３０５（１９９８）、およびＡ．Ｗ．Ａｄａｍｓｏｎ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ（Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，１９７６）。
【００３６】
液滴が非湿潤性表面に衝突すると、滴は、表面に拡大し、次いで、反跳し始める。高い非湿潤性の表面の場合、滴は、表面から完全に跳ね返ることができる。衝撃力学により、滴の形状は、全体として軸対称であり、よって、反跳中の任意の時点で、湿潤した領域は、ほぼ円形である。しかしながら、表面をパターン化することによって、この左右対称が破壊され得、衝撃力学が変更または制御され得る。例えば、表面のマクロスケール特徴を制御または画定することによって、滴の接触時間が増加または減少され得、滴をより小さい滴に分裂させる不安定性が生じ得、また、空間的制御は、特定の滴または滴の一部がどのくらい長く表面と接触するかを通じて得られ得る。
【００３７】
滴と表面との間の接触時間中に、熱、質量、および運動量が滴と表面との間に拡散する。滴が表面の特定の場所に接触する時間を制御することによって、この拡散は、時間的にも空間的にも最適化され得る。ある実施形態では、次の２つの異なる方法で、滴の反跳に影響を及ぼす表面パターンまたは特徴が開発される。（１）後退境界線に凹面を導入するパターン、および（２）毛管圧力が拡大した滴を表面から剥離させるように、膜に対する表面湾曲を導入するパターン。
【００３８】
拡大した滴が後退する速度は、滴の材料特性だけでなく、滴が接触する表面の特性にも依存する。非湿潤性表面では、滴の反跳速度は、表面からの散逸角または接触角ヒステリシスによって減少する。散逸の変動は、非湿潤性表面を形成する表面パターンの構造および／または化学的性質を変化させることによって達成され得る。例えば、ポスト等のパターンの密度は、滴の反跳速度に影響を及ぼすことができる。系における散逸は、種々の長さスケールでの柔軟構造等の、種々のツールを使用して追加され得る。加えて、ポストのパターンは、後退膜の左右対称を壊すことができるが、滴は、凸状のままであり得る。
【００３９】
ある実施形態では、表面は、凹面を後退膜中に導入するように設計される。これらの設計を使用することで、表面は、ある領域での滴への露出が他の領域での露出よりも長くなるように調整される。一実施形態において、凹面は、膜を別々の滴に分裂させ、凹面は、自然な毛管不安定性によって増大される。例えば、表面は、ある方向の滴の反跳が垂直方向の反跳よりも大幅に遅くなるようにパターン化され得る。結果として生じる反跳は、迅速に凹状になる円筒を形成し、レイリー−プラトー型の不安定性を介して、滴に分裂する。
【００４０】
表面固定手法における制約は、それが滴力学を減速させ得ることである。滴が表面となす最小接触時間は、薄い空気の層に衝突することに相当する、いかなる接触角ヒステリシスも伴わない１８０度の接触角でその表面に接近するときに、最小化すると考えられる。しかしながら、本明細書で説明されるように、より短い接触時間は、パターン化した表面を使用することで可能である。具体的には、反跳段階中に、接触線が増加する一方で、表面積が減少する場合、滴が反跳することができる、より多くの前線がある。したがって、滴は、滴が対称的に後退している場合よりも迅速に後退することが可能であり、よって、滴が後退するための総接触時間が短縮される。下で説明されるように、ある実施形態では、後退膜の一部分の反跳の速度を上げることによって、凹面が導入される。
【００４１】
図１ａおよび１ｂは、それぞれ、超疎水性表面１０２で跳ね返る水滴１００の側面図および上面図を描写する。表面１０２は、３μｍ間隔で離間される、シリコン製の１０μｍ四方のポストの列を含む。この場合の、これらの図の左端の画像から右端の画像までに測定された接触時間は、約１９ミリ秒である。図１ａの最左端の画像の中のスケールバー１０４は、３ｍｍである。図１ｂは、ほぼ対称（円形）の縁部１０６を伴って拡大、後退する滴を示す。
【００４２】
ある実施形態において、本明細書で提示されるデバイスおよび方法は、表面と関連付けられる表面テクスチャを修正することによって、衝突滴と表面との間の接触時間を短縮させる。驚くべきことに、これらのデバイスおよび方法は、接触時間を、上で式１によって示される理論的限界未満に短縮させる。一実施形態では、超疎水性表面を適切に設計することによって、この理論的限界の約１／２まで、接触時間がさらに減少する。
【００４３】
ある実施形態において、本明細書で説明されるデバイスおよび方法は、滴衝突によって生成される液体膜の中に、制御された非対称性を引き起こすために、マクロスケール特徴（例えば、隆起、シヌソイド、突起）を超疎水性表面に組み込む。マクロスケール特徴は、例えば、約０．００００１ｍｍよりも大きい、約０．０００１ｍｍよりも大きい、約０．００１ｍｍよりも大きい、約０．０１ｍｍよりも大きい、約０．１ｍｍよりも大きい、または約１ｍｍよりも大きい高さを有し得る。加えて、マクロスケール特徴は、例えば、約０．００００１ｍｍよりも大きい、約０．０００１ｍｍよりも大きい、約０．００１ｍｍよりも大きい、約０．０１ｍｍよりも大きい、約０．１ｍｍよりも大きい、または約１ｍｍよりも大きい間隔（例えば、隆起間、頂点間、または谷間の間隔）を有し得る。
【００４４】
図２ａ〜２ｄを参照すると、マクロスケール特徴によって導入される、クラック２０４、穴２０２、および湾曲の形態の、液体膜２００の非対称性は、複数の前線での滴の反跳につながり、それ故に、接触時間の大幅な短縮をもたらす。この概念は、一般的により小さい特徴（例えば、１００ｎｍ）を含み、さらに重要なことに、滴とこれらの特徴との間の接触線固定を最小化しようとした、従来の手法とは明確に異なる。
【００４５】
一実施形態において、超疎水性表面３００は、半径Ｒを有する滴の衝突時に液体膜の中にクラックを引き起こす、マクロスケール隆起３０２を含む。図３で描写されるように、隆起３０２は、隆起高さＡｒおよび隆起間隔λｒを有する。隆起３０２は、（図３で示されるように）湾曲し、尖った三角形、半球、および／または矩形を含む、任意の断面形状を有し得る。一般的に、各隆起３０２は、隆起高さＡｒおよび／または隆起間隔λｒよりもかなり大きい、（表面３００に沿った）隆起長さを有する。例えば、隆起３０２は、約０．１ｍｍの隆起高さＡｒおよび（例えば、隆起の長手方向軸に沿って）約１００ｍｍ以上の隆起長さを有し得る。超疎水性を達成または維持するために、表面３００は、長さスケールＬｎ（例えば、平均直径または断面寸法）を有する、非湿潤性特徴３０４を含む。ある実施形態において、非湿潤性特徴３０４は、
【化１０】
2014531326.tif 000014
が、９０度よりも大きく、ＣＡＨが、約３０度未満、約２０度未満、または約１０度未満であるように選択される。描写されるように、非湿潤性特徴は、非湿潤性を促進するために、必要に応じて、より小さい特徴３０６を含み得る。
【００４６】
図１ｂおよび１ｃを再度参照すると、液滴が固体表面に衝突すると、滴は、厚みｈを有する薄いラメラまたは膜に拡大する。ある実施形態において、隆起高さＡｒと厚さｈとの比（すなわち、Ａｒ／ｈ）は、約０．０１よりも大きい。例えば、Ａｒ／ｈは、約０．０１〜約１００、約０．１〜約１０、または約０．１〜約５であり得る。ある実施形態において、隆起間隔λｒと隆起高さＡｒとの比は、約１以上である。
【００４７】
図４および図５は、それぞれ、平坦面４０２上で反跳する滴４００、および隆起５０２上で反跳する滴５００を示す概略図である。描写されるように、図４の平坦面４０２上で、滴の反跳は、一般的に、対称的であり、滴４００は、経時的にほぼ円形のままである。それに対して、図５の隆起５０２上で、滴の反跳は、非対称的であり、隆起５０２のより薄い部分５０４（厚さｈ１を有する）は、隆起５０２に隣接するより厚い部分５０６（厚さｈ２を有する）よりも早く反跳する。より薄い部分５０４は、クラックと称され得る。描写されるように、隆起５０２は、滴の破断を促進する、クラックまたは経路を作成する。これらの経路は、隆起５０２に沿って接触線を滴５００の中へ入り込ませ、それによって、滴の反跳中の接触線長さを増大させ、接触時間を短縮させる。
【００４８】
図６ａ〜６ｄおよび図７ａ〜７ｃは、本発明のある実施形態による、滴衝突時に液体膜の中にクラックを引き起こすための表面の実験例を描写する。図６ａ〜６ｄは、レーザラスタリングを使用してシリコン表面６０２に作成される、隆起６００上の滴衝突の写真を示す。図７ａ〜７ｃは、アルミニウム表面７０２に機械加工し、その後に陽極処理を行ってナノスケール孔を作成した、類似する寸法の隆起７００への滴衝突を示す。表面６０２、７０２はどちらも、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シランを蒸着させることによって、超疎水性にした。衝突前の滴の直径は、２．６ｍｍ（すなわち、Ｒ＝１．３ｍｍ）であり、衝撃速度は、１．８ｍ／秒であった。
【００４９】
図６ａ〜６ｃは、隆起６００のＳＥＭ画像を用いた、約１５０μｍの隆起高さＡｒおよび約２００μｍの幅Ｗを有する、シリコン表面６０２の詳細を示す。これらの図はまた、超疎水性を維持するように達成される、非湿潤性特徴を示す。滴衝突の力学は、図６ｄで示され、該図は、滴６０４が非対称的に変形し、隆起６００に沿ってクラック６０６が成長することを明らかにする。クラック６０６は、膜が複数の滴６０８に分割されるまで、隆起６００に沿って迅速に広がる、さらなる反跳前線を作成する。この場合の接触時間は、僅か７ミリ秒−図１で示される実施例の接触時間のほぼ１／３−であり、また、
【化１１−１】
2014531326.tif 000015
での式１による理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりも約５０％短かった。
【００５０】
上で述べられるように、隆起は、図６ａで描写されるほぼ矩形の断面を含む、任意の断面形状を有し得る。加えて、隆起高さＡｒと幅Ｗとの比（すなわち、Ａｒ／Ｗ）は、例えば、約０．１〜約１０であり得る。
【００５１】
図７ａ〜７ｃは、陽極酸化アルミニウム（ＡＡＯ）表面７０２で達成される、類似する接触時間の低減を示す。この場合の接触時間は、約６．３ミリ秒であり、それは、式１の理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりも約５０％を超えて短い。隆起テクスチャおよびナノ細孔構造を明らかにするＳＥＭ画像を用いた、表面７０２の詳細は、図７ａおよび７ｂで示される。図７ａおよび７ｂのスケールバー７０４、７０６は、それぞれ、１００μｍおよび１μｍである。図７ｃを参照すると、滴衝突の力学は、レーザラスタリングしたシリコン表面に見られる挙動に類似する挙動を示す。例えば、滴７０８は、隆起７００に沿って成長するクラック７１０によって非対称的に変形し、それによって、液体膜を隆起７００に沿って迅速に反跳させ、複数の滴７１２に分割させる。
【００５２】
ある実施形態において、接触時間の低減は、図６ａ〜６ｄから図７ａ〜７ｃの実施例で示されるように、表面材料または他の表面特性というよりは、むしろ表面の設計または構造の結果である。例えば、これらの実施例における表面は、完全に異なる方法（すなわち、図６ａ〜６ｄではレーザラスタリング、および図７ａ〜７ｃでは機械加工および陽極酸化）によって生成されたものであるが、２つの表面の類似するマクロスケール特徴（例えば、隆起のサイズおよび形状）は、類似する滴衝突力学をもたらした。
【００５３】
別の実施形態において、超疎水性表面８００は、半径Ｒを有する滴の衝突時に液体膜の中に穴の核を生成する、マクロスケール突起８０２を含む。突起８０２は、その球状、半球状、ドーム形状、ピラミッド状、立方体形状、およびそれらの組み合わせを含む、任意の形状を有し得る。例えば、図８で描写される実施形態において、突起８０２は、突起高さＡｐを伴うほぼドーム形状であり、突起間隔λｐで格子状に離間される。超疎水性を達成または維持するために、表面８００は、長さスケールＬｎを有する、非湿潤性特徴を含む。上で述べられるように、非湿潤性特徴は、
【化１１−２】
2014531326.tif 000016
が、９０度よりも大きく、ＣＡＨが、約３０度未満、約２０度未満、または約１０度未満であるように選択される。
【００５４】
ある実施形態において、突起高さＡｐとラメラまたは膜厚さｈ（すなわち、Ａｐ／ｈ）との比は、約０．０１以上である。例えば、Ａｐ／ｈは、約０．０１〜約１００、または約０．１〜約１０、または約０．１〜約３であり得る。ある実施形態において、突起間隔λｐと突起高さＡｐとの比（すなわち、λｐ／Ａｐ）は、約２以上である。
【００５５】
図９ａ〜９ｃは、衝突時に滴に核を形成するためのマクロスケールの突起９０２を含む、例示的な表面９００を描写する。この実施例における表面９００は、陽極酸化チタン（ＡＴＯ）で作製される。表面９００の詳細は、ＳＥＭ画像で示される。図９ａおよび９ｂのスケールバー９０４、９０６は、それぞれ、１００μｍおよび４μｍである。描写されるように、表面は、約２０〜１００μｍのマクロスケールの突起９０２を含み、超疎水性を維持するために、非湿潤性特徴をさらに含む。図９ｃの高速写真撮影画像を参照すると、滴９０８が（ｔ＝０で）ＡＴＯ表面に衝突した後、滴９０８は、（ｔ＝２ミリ秒で）内部的に不安定にする薄膜に拡大し、（ｔ＝４ミリ秒で）複数の穴９１０の中に核を形成する。穴９１０は、それらの境界が接触または衝突するまで成長し、それによって、膜全体の断片化を生じさせる。各穴９１０は、膜が反跳し得るさらなる前線を作成し、したがって、接触時間の大幅な低減をもたらす。この実施例における接触時間は、約８．２ミリ秒であったが、同じく、
【化１１−３】
2014531326.tif 000017
での式１による理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりもかなり短い。
【００５６】
示される実施形態において、突起は、滴の中に穴を導入することによって、滴の接触線を増大させる。穴は、反跳中に増大または開口し、それによって、接触時間を短縮させる。
【００５７】
別の実施形態において、超疎水性表面１０００は、半径Ｒを有する滴の衝突時に液体膜の中に湾曲を導入する、マクロスケールの湾曲したプロファイル１００２を含む。湾曲したプロファイル１００２は、（例えば、区分的に）正弦波状および／または放物線状のものを含む、任意の形状を有し得る。上で説明される隆起３０２および突起８０２と比較して、湾曲したプロファイル１００２は、全体として、より滑らかであり、表面の高さがあまり急激に変動しない。例えば、図１０で描写される実施形態において、湾曲したプロファイル１００２は、表面に頂点および谷の正弦波パターンを画定する。正弦波パターンは、波の振幅Ａｃおよび波の間隔λｃ（すなわち、頂点から谷までの距離）を有する。波の間隔λｃはまた、正弦波パターンの周期の半分と称され得る。
【００５８】
ある実施形態において、表面１０００は、２つ以上の方向に沿った湾曲を含む。例えば、表面１０００の高さは、一方の方向に沿って正弦波的に、そしてもう一方の直角な方向に沿って正弦波的に変動し得る。
【００５９】
超疎水性を達成または維持するために、表面１０００は、長さスケールＬｎを有する、非湿潤性特徴を含む。上で述べられるように、非湿潤性特徴は、
【化１１−４】
2014531326.tif 000018
が、９０度よりも大きく、ＣＡＨが、約３０度未満、約２０度未満、または約１０度未満であるように選択される。
【００６０】
ある実施形態において、波の振幅Ａｃと厚さｈとの比（すなわち、Ａｃ／ｈ）は、約０．０１以上である。例えば、Ａｃ／ｈは、約０．０１〜約１００、または約０．１〜約１００、または約０．１〜約５０、または約０．１〜約９であり得る。ある実施形態において、波の間隔λｃと波の振幅Ａｃとの比（すなわち、λｃ／Ａｃ）は、約２以上である。例えば、λｃ／Ａｃは、約２〜約５００、または約２〜約１００であり得る。
【００６１】
図１１ａは、レーザラスタリングを使用してシリコン上に作成される、正弦波湾曲表面１１００の実施例を描写する。表面１１００の詳細は、ＳＥＭ画像を用いて示される。正弦波パターンの波の振幅Ａｃは、約３５０μｍである一方で、その周期（すなわち、波の間隔λｃの２倍）は、２ｍｍであった。表面１１００は、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シランを蒸着させることによって、超疎水性にした。図１１ｂを参照すると、表面１１００への滴衝突の力学は、滴１１０２が、拡大しながら表面１１００の湾曲したプロファイルになり、厚さが変動する薄膜になることを明らかにする。膜厚は、膜が最も早く後退する正弦波表面１１００のクレストまたは頂点１１０４で最小になり、それによって、膜を尾根１１０４全体にわたって分割させ、複数の滴１１０６に分裂させる。この実施例における接触時間は、僅か約６ミリ秒であったが、同じく、式１の理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりも５０％をかなり超えて短い。
【００６２】
図１０、図１１ａおよび１１ｂに関して上で説明されるように、ある実施形態において、滴の接触時間は、表面の局所湾曲を制御することによって短縮される。膜の一部が凹状の領域を覆うように表面を湾曲させた場合、２つのうちの１つのシナリオが起こり得るが、どちらのシナリオも、表面での膜の総接触時間を減少させる。１つのシナリオにおいて、膜は、厚さがほぼ均一であるように、凹面上に拡大する。膜が、湾曲した表面と接触している場合、膜も湾曲し、その場合、膜の湾曲は、表面張力とともに、縁部が反跳するのと同じくらい迅速に表面から膜を持ち上げる、圧力勾配を生じさせる。もう１つのシナリオにおいて、膜は、膜の表面が平坦であるように（すなわち、湾曲せずに）、凹面上に拡大する。この場合、膜厚は、均一でなく、膜がより薄い曲線である場所に沿って、滴は、膜がより厚い領域に沿った場所よりも迅速に反跳する。上で論じられるように、連結した凹状尖端の混合表面を形成することによって、接触時間は、式１によって定義される理論的限界未満に短縮され得る。
【００６３】
図１２ａ、１２ｂ、および１２ｃで示されるように、直径Ｄｏの液滴１２００が、速度Ｖｏで固体表面１２０２に衝突すると、滴１２００は、厚さｈの薄いラメラ（膜）１２０４に拡大し、最終的に、最大直径Ｄｍａｘに達する。拡大中の（例えば、飛散または蒸発による）質量損失は無視でき、ラメラ１２０４は、平均して、時間的および間隔的に厚さがほぼ均一であると仮定すると、ｈは、図１２ａで示される球状滴状態、および図１２ｃで示されるラメラ状態で、質量保存を適用することによって推定することができる。これらの仮定によって、球状滴状態およびラメラ状態が等しいとすると、滴１２００の質量は、次のようになる。
【数３】
2014531326.tif 000019
式中、ρは、滴液体の密度である。ｈについて方程式３を解くと、次のようになる。
【数４】
2014531326.tif 000020
式中、
【化１２】
2014531326.tif 000021
は、衝突する滴の最大拡大係数である。
【化１３】
2014531326.tif 000022
を算出するために、エネルギーバランスモデルが使用され得る。このモデルによれば、
【化１４】
2014531326.tif 000023
は、次式で与えられる。
【数５】
2014531326.tif 000024
式中
【化１５】
2014531326.tif 000025
は、固体表面１２０２上の液滴によって形成される前進接触角であり、
【化１６】
2014531326.tif 000026
は、滴のウェーバー番号であり、
【化１７】
2014531326.tif 000027
は、衝突前の滴のレイノルズ数である。ここで、
【化１８】
2014531326.tif 000028
は、それぞれ、液滴の表面張力、および液滴の動粘度である。
【化１９】
2014531326.tif 000029
は最大で１８０°になり得るので、式５は、式
【化２０】
2014531326.tif 000030
の値を６に近似することによって、さらに簡略化することができる。この簡略化によって、式５は、次のようになる。
【数６】
2014531326.tif 000031
したがって、式６から
【化２１】
2014531326.tif 000032
が算出されると、式４を使用してｈを推定することができる。
【００６４】
本明細書で説明されるデバイスおよび方法は、防雨用製品、風力タービン、蒸気タービンブレード、航空機の翼、およびガスタービンブレードを含む、広範囲にわたる用途を有する。表１は、これらの用途のうちのいくつかについて、標準的な滴の半径値を提示する。表で示されるように、防雨用製品および風力タービン用途について、滴の半径値は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。同様に、蒸気タービンブレード、航空機の着氷、およびガスタービンブレード用途について、滴の半径値は、約０．０１ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。一実施形態において、防雨用製品および風力タービン用途について、ラメラ厚の値は、約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍであり、
【化２２】
2014531326.tif 000033
の値は、約５〜約１００である。別の実施形態において、蒸気タービンブレード、航空機の着氷、およびガスタービンブレード用途について、ラメラ厚の値は、約０．００１ｍｍ〜約１ｍｍであり、
【化２３】
2014531326.tif 000034
の値は、約１０〜約５００である。
【００６５】
ある実施形態において、表１は、衝突する滴と表面との間の接触時間を短縮させるための、上で説明される特徴に対する適切な寸法（すなわち、隆起、突起、および湾曲したプロファイル）を画定するために使用される。例えば、表１を参照すると、意図する用途が防雨用製品であり、特徴のタイプが隆起である場合、適切な特徴の寸法は、（ミリメートルで）０．０００１＜Ａｒおよびλｒ≧０．０００１である。同様に、意図する用途がガスタービンブレードであり、特徴のタイプが突起である場合、適切な特徴の寸法は、（ミリメートルで）０．００００１＜Ａｐおよびλｐ≧０．００００２である。
【００６６】
表１で示されるように、Ａｒ、Ａｐ、またはＡｃは、０．００００１ｍｍよりも大きくなり得、また、λｒ、λｐ、またはλｃは、約０．００００１ｍｍ以上であり得る。ある実施形態において、Ａｒ、Ａｐ、またはＡｃは、約０．０００１ｍｍよりも大きいか、約０．００１ｍｍよりも大きいか、約０．０１ｍｍよりも大きいか、約０．１ｍｍよりも大きいか、または約１ｍｍよりも大きい。ある実施形態において、Ａｒ、Ａｐ、またはＡｃは、約０．００００１ｍｍ〜約０．００１ｍｍ、約０．０００１ｍｍ〜約０．０１ｍｍ、約０．００１ｍｍ〜約０．１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍである。ある実施形態において、λｒ、λｐ、またはλｃは、約０．０００１ｍｍよりも大きいか、約０．００１ｍｍよりも大きいか、約０．０１ｍｍよりも大きいか、約０．１ｍｍよりも大きいか、または約１ｍｍよりも大きい。ある実施形態において、λｒ、λｐ、またはλｃは、約０．００００１ｍｍ〜約０．００１ｍｍ、約０．０００１ｍｍ〜約０．０１ｍｍ、約０．００１ｍｍ〜約０．１ｍｍ、または約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍである。
【表１】
2014531326.tif 000035
【００６７】
代替の実施形態では、本明細書で説明されるデバイスおよび方法を、疎油性表面または超疎油性表面に衝突する、油に基づく滴に適用する。この場合、隆起、突起、および正弦波パターン等のマクロスケール特徴は、疎水性表面または超疎水性表面に衝突する水滴について図示および説明されるものに類似する、油滴衝突力学を生成し得る。
【００６８】
ある実施形態では、液体を迅速に気化させ、かつ十分な圧力を生成するのに十分高温である表面に、水滴が衝突すると、滴は、超疎水性表面で見られる状況に類似して、表面に全く接触することなく拡大し、跳ね返ることができる。このいわゆるライデンフロスト現象は、表面が超疎水性を伴わない、非湿潤性状況の例である。一実施形態において、このタイプの表面に適用されるマクロスケール特徴は、衝突する滴の接触時間を短縮させる際に有効である。具体的には、滴力学は、超疎水性表面について上で説明されるものと類似しており、接触時間の低減は、同程度（理論的限界の約５０％）である。一実施形態では、所望の非湿潤性挙動を達成するために、表面を、ライデンフロスト温度よりも高い温度に加熱する。
【００６９】
蒸気タービンおよびガスタービンのブレードは、あるときには、電力サイクルにおける中間装置の浸食／腐食により生成される金属片が付着する。これらの断片は、作動流体（場合により、蒸気または燃焼ガス）とともに搬送され、該断片は、高温の領域に到達すると溶融する。溶融した液体は、タービンブレードに衝突して固着し、それによって、空気力学的性能を悪化させ、それ故に、タービン出力を悪化させる。発明者らの表面設計は、衝突する溶融液体がブレード表面に凝固する前に、それを迅速に跳ね返すことによって、この問題を解決することができる。
実験例
【００７０】
本明細書で説明されるように、一連の実験は、マクロスケール特徴を有する表面への滴の衝突を測定し、可視化するために行われた。滴衝突の一連の画像を撮像するために、高速度カメラシステム（モデルＳＡ１．１、ＰＨＯＴＲＯＮ  ＵＳＡ、Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ）を利用した。制御された量（１０μＬ）の滴を、２６ゲージのステンレス鋼針を使用するシリンジポンプ（ＨＡＲＶＡＲＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ，Ｈｏｌｌｉｓｔｏｎ，ＭＡ）を使用して分注した。滴の衝撃速度は、表面の上側のある高さ（１５０ｍｍ）に針を配置することによって制御した。接触時間は、最初の滴と表面との接触時点と、その後の表面からの液体の反跳時点との間の時間差を識別することによって、画像から決定した。
【００７１】
本発明のある実施形態による、マクロスケール隆起および隆起に衝突する滴の画像は、図６ａ〜６ｄおよび図７ａ〜７ｃで提供される。図６ａ〜６ｄは、レーザラスタリングを使用してシリコン表面６０２に作成される、隆起６００への滴衝突の写真を示す。図７ａ〜７ｃは、アルミニウム表面７０２に機械加工し、その後に陽極処理を行ってナノスケール孔を作成した、類似する寸法の隆起７００への滴衝突を示す。表面６０２、７０２はどちらも、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シランを蒸着させることによって、超疎水性にした。衝突前の滴の直径は、２．６ｍｍ（すなわち、Ｒ＝１．３ｍｍ）であり、衝撃速度は１．８ｍ／秒であった。上で詳細に論じられるように、マクロスケール隆起によって達成される接触時間は、
【化２４】
2014531326.tif 000036
での式１による理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりも約５０％短かった。
【００７２】
本発明のある実施形態による、マクロスケール突起および突起に衝突する滴の画像は、図９ａ〜９ｃで提供される。この実施例における表面９００は、陽極酸化チタン（ＡＴＯ）で作製される。表面９００の詳細は、ＳＥＭ画像で示される。図９ａおよび９ｂのスケールバー９０４、９０６は、それぞれ、１００μｍおよび４μｍである。描写されるように、表面は、約２０〜１００μｍのマクロスケールの突起９０２を含み、超疎水性を維持するために、非湿潤性特徴をさらに含む。上で詳細に論じられるように、マクロスケール突起によって達成される接触時間は、
【化２５】
2014531326.tif 000037
での式１による理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）の約半分であった。
【００７３】
本発明のある実施形態による、マクロスケールの湾曲および湾曲に衝突する滴の画像は、図１１ａおよび１１ｂで提供される。上で論じられるように、正弦波湾曲表面１１００は、レーザラスタリングを使用してシリコン上に作成された。表面１１００の詳細は、ＳＥＭ画像を用いて示される。正弦波パターンの波の振幅Ａｃは、約３５０μｍである一方で、その周期（すなわち、波の間隔λｃの２倍）は、２ｍｍであった。表面１１００は、トリクロロ（１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロオクチル）シランを蒸着させることによって、超疎水性にした。この実施例における接触時間は、僅か約６ミリ秒であったが、同じく、式１の理論的予測（すなわち、１３．５ミリ秒）よりも５０％をかなり超えて短い。
均等物
【００７４】
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して具体的に示され、記載されているが、形態および詳細における種々の変更が、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくそこになされてもよいことが、当業者には理解されるはずである。
【図１ｅ】
2014531326.tif 000038
【図１ｆ】
2014531326.tif 000039
【図２ａ】
2014531326.tif 000040
【図２ｂ】
2014531326.tif 000041
【図２ｃ】
2014531326.tif 000042
【図３】
2014531326.tif 000043
【図４】
2014531326.tif 000044
【図５】
2014531326.tif 000045
【図６Ａ】
2014531326.tif 000046
【図６Ｂ】
2014531326.tif 000047
【図６Ｃ】
2014531326.tif 000048
【図６Ｄ】
2014531326.tif 000049
【図７ａ】
2014531326.tif 000050
【図７ｂ】
2014531326.tif 000051
【図８】
2014531326.tif 000052
【図９ａ】
2014531326.tif 000053
【図９ｂ】
2014531326.tif 000054
【図１０】
2014531326.tif 000055
【図１１ａ】
2014531326.tif 000056
【図１２Ａ】
2014531326.tif 000057
【図１２Ｂ】
2014531326.tif 000058
【図１２Ｃ】
2014531326.tif 000059
【図１ａ】
2014531326.tif 000060
【図１ｂ】
2014531326.tif 000061
【図１ｃ】
2014531326.tif 000062
【図１ｄ】
2014531326.tif 000063
【図２ｄ】
2014531326.tif 000064
【図７ｃ】
2014531326.tif 000065
【図９ｃ】
2014531326.tif 000066
【図１１ｂ】
2014531326.tif 000067
【国際調査報告】
2014531326.tif 000068
2014531326.tif 000069
2014531326.tif 000070
2014531326.tif 000071