(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細構造化表面において、
基板上に配置された複数の微細特徴部であって、当該複数の微細特徴部が、それら微細特徴部の内面間に位置する空間を規定し、前記複数の微細特徴部間の内面が少なくとも部分的に疎水性である、複数の微細特徴部と、
電極対の第２電極に電気的に接続された前記電極対の第１電極を含むガス発生器とを備え、前記電極対の第１電極および第２電極は、電力の供給を必要とせずに電解質溶液と接触したときに自然な電気化学反応によってガスを生成するそれぞれの標準電極電位を有し、前記第１電極は、前記複数の微細特徴部の内面間に位置する空間内に配置され、かつ、前記微細構造化表面が電解質溶液中に沈められている間に、前記微細特徴部間に位置する空間の一部が前記電解質溶液で満たされたときに、自然な電気化学反応によりガスを生成するように構成されており、前記電解質の標準電極電位と前記第２電極の標準電極電位との間の差の大きさが、前記第１電極におけるガス生成のための過電位よりも大きく、前記第１電極におけるガス生成のための過電位の大きさが、前記第２電極におけるガス生成のための過電位よりも小さいことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項２】
請求項１に記載の微細構造化表面において、
前記電極対の第１電極が、微細特徴部間において前記基板上に位置することを特徴とする微細構造化表面。
【請求項３】
請求項１に記載の微細構造化表面において、
前記電極対の第１電極が、前記微細特徴部の少なくとも一つの内面上に位置することを特徴とする微細構造化表面。
【請求項４】
請求項１に記載の微細構造化表面において、
前記第２電極が、前記複数の微細特徴部の内面間に位置する空間の外に配置されていることを特徴とする微細構造化表面。
【請求項５】
請求項１に記載の微細構造化表面において、
前記電極対の第１電極が、配線、トラック、多孔質層、メッシュまたはワイヤのうちの一つを含むことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項６】
請求項１に記載の微細構造化表面において、
前記第１電極がニッケルを含み、前記第２電極がマグネシウムを含むことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項７】
微細構造化表面において、
基板上に配置された複数の微細特徴部であって、当該複数の微細特徴部が、それら微細特徴部の内面間に位置する空間を規定し、前記複数の微細特徴部間の内面が少なくとも部分的に疎水性である、複数の微細特徴部と、
互いに電気的に接続された電極対の第１電極および第２電極を含むガス発生器とを備え、前記第１電極および前記第２電極は、前記複数の微細特徴部の内面間に位置する空間内に配置され、かつ、前記微細構造化表面が電解質溶液中に沈められている間に、前記空間の一部が前記電解質溶液で満たされたときに、電力の供給を必要とせずに自然な電気化学反応により前記微細特徴部間においてガスを生成するように構成されており、前記電解質の標準電極電位と前記第２電極の標準電極電位との間の差の大きさが、前記第１電極におけるガス生成のための過電位よりも大きく、前記第１電極におけるガス生成のための過電位の大きさが、前記第２電極におけるガス生成のための過電位よりも小さいことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項８】
請求項７に記載の微細構造化表面において、
前記電極対が、微細特徴部間において前記基板上に位置することを特徴とする微細構造化表面。
【請求項９】
請求項７に記載の微細構造化表面において、
前記電極対が、前記微細特徴部の少なくとも一つの内面上に位置することを特徴とする微細構造化表面。
【請求項１０】
請求項７に記載の微細構造化表面において、
前記電極対が、配線、トラック、多孔質層、メッシュまたはワイヤのうちの一つを含むことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項１１】
請求項７に記載の微細構造化表面において、
前記第１電極がニッケルを含み、前記第２電極がマグネシウムを含むことを特徴とする微細構造化表面。
【請求項１２】
水上乗り物または船舶であって、水接触面の少なくとも一部に、請求項１に記載の微細構造化表面を有することを特徴とする水上乗り物または船舶。
【請求項１３】
水上乗り物または船舶であって、水接触面の少なくとも一部に、請求項７に記載の微細構造化表面を有することを特徴とする水上乗り物または船舶。
【請求項１４】
パイプであって、その内面に請求項１に記載の微細構造化表面を有することを特徴とするパイプ。
【請求項１５】
パイプであって、その内面に請求項７に記載の微細構造化表面を有することを特徴とするパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、一般に、超疎水面を含む微細構造化疎水性表面を使用する方法およびデバイスに関し、より詳細には、微細構造化疎水性表面が液体中に沈んでいる間に、微細構造化疎水性表面上にガスを保持する方法およびデバイスに関するものである。
【０００２】
［関連出願］
この出願は、２０１４年７月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／０２６，４７４号の優先権を主張する。優先権は、米国特許法第１１９条に従って請求される。上記特許出願は、引用により、本明細書中に完全に記載されているのと同様に組み込まれるものとする。
【背景技術】
【０００３】
今日の慣例により、超疎水性（ＳＨＰｏ）表面は、その上の空気中の水が１５０度を超える接触角を形成する固体表面として定義されている。そのような高い接触角は、構造化疎水性表面、典型的にはマイクロメートルの構造体においてのみ、これまでは見受けられているが、すべての構造化疎水性表面がＳＨＰｏであるわけではない。ＳＨＰｏ表面の典型的な実例は、水滴が殆ど抵抗を受けずに、それらの上で転げ回るというものである。最近では、ＳＨＰｏ表面は、水中に沈められたときにも（すなわち、水滴がないときにも）それらの表面構造または微細特徴部が水中でガス膜を保持することができるため、有望となっている。微細特徴部内（その間）に保持されるガスが、それらの上の水流を円滑にし、効果的に水がその表面を滑ることができるようにするため、一つの有力な用途は、抵抗低減である。液体が固体表面上を如何に滑りやすく流れるかは、滑り長さ（slip lengths）として定量的に規定されており、それは、ＳＨＰｏの出現までは、１マイクロメートルより大きいものは認められてなかった（小さすぎて抵抗低減には有効ではなかった）。幾つかのＳＨＰｏ表面は、数百マイクロメートルの有効滑り長さを示しており、それは、普通の（すなわち、大きな）流体系であっても恩恵を与えるのに十分な大きさである。また、乱流のための抵抗低減も報告されている。表面上の安定したガスがＳＨＰｏ法をパッシブ（すなわち、エネルギー効率が良く）かつ簡素（すなわち、実行が容易）なものとするため、抵抗低減に関して、ＳＨＰｏ表面は、既存の気泡注入に対する優れた代替と考えられている。さらに、ＳＨＰｏ表面上の最小化された固体・液体の接触が、表面付着、特に生物付着に抵抗することができることが示されている。その大きな潜在力にも関わらず、ＳＨＰｏ表面による抵抗低減は、実験室条件に厳しく限られると考えられている。それは、そのようなＳＨＰｏ表面が実条件下で十分に長くガス層を保持することができるという兆候が最近まで存在しなかったためである。
【０００４】
典型例としてＳＨＰｏ表面の定義を満たす構造化疎水性表面を検討すると、ＳＨＰｏ表面は、捕捉したガスを失って濡れた状態になると（すなわち、液体が微細特徴部に入ると）、もはやＳＨＰｏではない。液体内のＳＨＰｏ表面の濡れ転移は、自然なものである傾向があるため、様々な主体により誘発される液体浸含は、抵抗低減に対して修復不能な影響をもたらす。図１は、例えば、非濡れ状態（上端）から濡れ状態（下端）へのＳＨＰｏ表面の遷移を示している。例えば、その表面は、不具合を有する場合、液体が圧力下にある場合、あるいは微細特徴部内のガスがやがて液体に拡散する場合、濡れた状態となって滑り効果を失う。図１に示すように、ＳＨＰｏ表面が濡れると、超疎水性、および抵抗低減、生物付着防止などの付随効果は失われる。
【０００５】
近年、液体の圧力（すなわち、液体が水の場合は、静水圧）に抗して、液体に沈められた構造化疎水性（例えば、ＳＨＰｏ）表面上のガス層の安定性を増加させる、幾つかのアプローチが示唆されている。例えば、ガス層は、高い液圧に耐えることができるように、受動的または能動的に空気圧で加圧することができる。代替的には、段階的な構造が、液圧により耐えるＳＨＰｏ表面を形成するために用いられている。しかしながら、これまでのそれら改善は、液圧が相対的に低くないと（例えば、０．５ａｔｍでも高過ぎる）、機能しない。さらに、それらアプローチは、予防的手段に過ぎない。それらは、ガス層が一旦破壊されると、効果がなくなる。様々な悪条件下で構造化疎水性表面上にガスを保持する能力は、殆どの実際の用途において、ガス捕捉表面を利用するために必要とされる。構造安定性のためにより望ましいのは、任意の予想外の事象によって表面が濡れた後でさえもガスを元の状態に戻す能力である。成功スキームは、表面構造に充満した液体を新たなガスで置き換えて、安定したガス膜を修復できるようにする必要がある。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１３／０１２２１９５号には、自己調整方式で超疎水性を復元および維持する方法および装置が記載されている。ここでは、自己調整は、如何なる個別の検知または制御機構なしに、復元および維持が達成されることを意味している。より具体的には、存在するガスの喪失を検知する検知機構または新たなガスを提供することを決定する制御機構を用いることなく、存在するガスが失われた時および場所にのみガスは補充される。
【０００７】
上記‘１９５号公報の自己調整式ガス補充の一スキームにおいては、補充ガスが侵入水の電気分解から生成される。このガス生成は、電解、すなわち、電力によって引き起こされる電気化学的なものであるため、超疎水性表面は、必要なエネルギーを与える外部電源に電気的に接続される。しかしながら、超疎水性の自己調整式復元および維持を実施のためにより現実的なものにするためには、ガス回復表面が外部電源のような如何なる外部の助けも必要としないことが非常に望ましい。すなわち、自己調整方式であると同時に、如何なる外部の補助も必要とすることなく、“自己充足的”に超疎水性を維持および復元することができる表面を提供する必要性が存在する。
【０００８】
‘１９５号公報の自己調整式ガス補充の別のスキームにおいては、補充ガスが、外部からのエネルギー入力を必要としない化学手段により化学反応炉から生成される。自己調整的であると同時に自己充足的であるが、化学的ガス生成は、非効率的であることが分かっており、供給の存続時間がほんの僅かである。例えば、この方法では、反応面に残される残余の電解質（例えば、蒸気）が存在し、それが、表面を脱濡れ状態に復元するのに必要とされる時間を越えてガス生成を継続させる可能性がある。このため、‘１９５号公報に開示されるタイプの化学反応に基づくガス生成表面は、短い寿命に悩まされている。より長い供給寿命を有する自己制御型で自己充足的なガス維持方法が望まれている。
【発明の概要】
【０００９】
一実施形態では、電気化学反応を通じて１または複数のガスを生成する自己調整型（self-regulated）で自己動力供給式（self-powered）のガス生成器を有する、濡れない（すなわち、水中でまたは水と使用される場合に疎水性である）微細特徴部（microfeatures）またはその他の構造が設けられた微細構造化表面（microstructured surface）が開示される。微細特徴部は、例えば、トレンチ、突起部、柱、孔または不規則構造などを含むことができる。自己調整は、ガスの喪失を検知するその他の構成要素あるいはガス生成のために時間を決定するその他の構成要素なしに、微細特徴部のすべてまたは一部が電解質（すなわち、導電性液体、例えば、海水）で満たされたときに、微細特徴部内に生成される一方で、微細特徴部に電解質が存在しないときには生成されない１または複数のガスに言及するものである。自己動力供給は、外部の電源などの任意の外部補助を使用することなく、表面内に組み込まれた動力供給機構または特徴によって生成されるガスに言及するものである。電気化学プロセスは電気エネルギーを必要とするため、開示のデバイスは、バッテリのような外部電源を必要とすることのないように、自己動力供給式である必要がある。自己動力供給式のガス生成は、外部補助を必要としない自己充足式（self-sufficient）ガス生成様式または設計のサブセットである。例えば、化学プロセスによるガス生成は、自己充足式であるが、自己動力供給式ではない。電気化学プロセスに基づくガス生成器は、化学プロセスに基づくガス生成器と比べて、遥かに長い寿命を有するため、その差は重要である。
【００１０】
本発明は、液体中に沈められたときに、ガス保持微細構造化表面（例えば、超疎水性表面）上にガスを保持するのを助ける。効用の例には、（１）水中で移動する固体対象物（例えば、水上乗り物または船舶）の表面摩擦抵抗を低減すること、（２）液体が固体表面を流れ過ぎること（例えば、パイプの流れ）、（３）水中で生物付着に悩まされることがない、またはそれが少ない表面が含まれる。
【００１１】
一実施形態では、微細構造化表面は、基板上に配置された複数の微細特徴部を含み、当該複数の微細特徴部が、それら微細特徴部の内面間に位置する空間を規定し、前記複数の微細特徴部間の内面が疎水性となっている。微細構造化表面は、電極対の第２電極に電気的に接続された前記電極対の第１電極から形成されるガス発生器を含み、前記第１電極は、前記複数の微細特徴部の内面間に位置する空間内に配置され、かつ、前記微細構造化表面が電解質溶液中に沈められている間に、前記微細特徴部間に位置する空間の一部が前記電解質溶液で満たされたときに、自然な電気化学反応によりガスを生成するように構成されている。この自然な電気化学反応によるガス生成は、外部電源の存在を必要とする通常の電解反応とは異なる、ガルバーニ反応の一部である。電解の代わりに自然に生じるものであるが、ガルバーニプロセスは、依然として電気化学的なものであり、そのため、反応は、系の電気状態によってオンおよびオフに切り換えられる。例えば、生成されたガスが、電解質を電極面から分離するときは、電気回路が開かれて電気化学反応が停止する。化学反応については、これと同じことは言えない。生成されたガスが反応面から電解質を分離した後でさえも、表面上の残留液体（例えば、蒸気）はある期間、化学反応を引き延ばすものとなる。引き延ばされた反応は、ガス生成の自己調整特性を損ない、デバイスの寿命を短縮する。
【００１２】
別の実施形態では、微細構造化表面は、基板上に配置された複数の微細特徴部を含み、当該複数の微細特徴部が、それら微細特徴部の内面間に位置する空間を規定し、前記複数の微細特徴部間の内面が疎水性となっている。微細構造化表面は、互いに電気的に接続された電極対の第１電極および第２電極から形成されるガス発生器を含み、前記第１電極および前記第２電極は、前記複数の微細特徴部の内面間に位置する空間内に配置され、かつ、前記微細構造化表面が電解質溶液中に沈められている間に、前記空間の一部が前記電解質溶液で満たされたときに、自然な電気化学反応により前記微細特徴部間においてガスを生成するように構成されている。
【００１３】
別の実施形態では、微細構造化表面を形成する方法が、基板の表面上に電極を付着させるステップと、前記電極を含む前記基板の表面に対して、複数のキャビティを含む金型を固定するステップと、前記金型と前記基板の間に圧力を加えて、前記基板から前記複数のキャビティ内に材料を押し込み、複数の微細特徴部を形成するステップと、前記基板から前記金型を分離するステップとを含む。
【００１４】
本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および具体例は、本発明の幾つかの実施形態を示しているが、例示の目的で与えられているものであって、限定ではない。本発明の趣旨を逸脱することなく、本発明の範囲内で多くの変更および修正を行うことが可能であり、本発明は、そのような変更をすべて含むものである。さらに、一実施形態の態様は、その他の異なる実施形態においても用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、従来技術に係るＳＨＰｏ表面を示している。図１は、非濡れ状態（non-wetted state）（上部）から濡れ状態（wetted state）（下部）へのＳＨＰｏ表面の遷移を示している。
【図２】図２Ａ−２Ｃは、微細構造化表面の一実施形態を示しており、電極対の一方の電極が、隣接する微細特徴部間に位置する空間内に配置されている。図３ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。図２Ａは、脱濡れ状態（dewetted state）における微細構造化表面を示している。図２Ｂは、部分的濡れ状態（例えば、隣接する微細構造間の空間の一つが電解質で満たされている）における微細構造化表面を示している。図２Ｃは、濡れ状態から離脱中の微細構造化表面を示しており、一方の電極で生成されたガスが、矢印で示すように、空間から電解質流体を押し出している。
【図３】図３Ａおよび３Ｂは、図２の実施形態の２つの異なる電極形態を示している。図３Ａは、ワイヤパターンの実施形態を示している。図３Ｂは、メッシュパターンの実施形態を示している。
【図４】図４Ａ−４Ｃは、微細構造化表面の別の実施形態を示しており、電極対が、隣接する微細特徴部間に位置する空間内に配置されている。図５ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図が示されている。図４Ａは、脱濡れ状態における微細構造化表面を示している。図４Ｂは、部分的濡れ状態（例えば、隣接する微細構造間の空間の一つが電解質で満たされている）における微細構造化表面を示している。図４Ｃは、濡れ状態から離脱中の微細構造化表面を示しており、電極対で生成されたガスが、矢印で示すように、空間から電解質流体を押し出している。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、図４の実施形態の２つの異なる電極形態を示している。図５Ａは、ワイヤパターンの実施形態を示している。図５Ｂは、メッシュパターンの実施形態を示している。
【図６】図６Ａ−６Ｅは、一実施形態に係る微細構造化疎水性面の製造方法を示している。
【図７】図７は、一実施形態に係る微細構造化疎水性デバイスの斜視図を示している。この実施形態では、微細構造化表面が一連のトレンチを含み、電極がワイヤのパターンを有するように構成されている。
【図８】図８Ａ−８Ｄは、一実施形態の動作を示す微細構造化疎水性デバイスの写真のパネルを示している。縦の黒線は電極である。水平な黒線は、微細特徴部間の空間（それらは透明に見える、すなわち、それらが濡れた場合に黒線が消える）に形成されたガスである。図８Ａは、脱濡れ状態の表面を有する微細構造化疎水性デバイスを示している。図８Ｂは、部分的濡れ状態の表面を有する微細構造化疎水性デバイスを示している。図８Ｃは、濡れ状態から離脱中の表面を有する微細構造化疎水性デバイスを示しており、ガスが能動的に作り出されて電解質を押し出している状態を示している。図８Ｄは、図８Ａと類似の脱濡れ状態の表面を有する微細構造化疎水性デバイスを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２は、一実施形態に係る微細構造化疎水性表面２を示している。微細構造化表面２は、基板４を含み、この基板の上には、複数の微細構造または微細特徴部６が配置されている。微細特徴部６は、概ね、基板４に対して実質的に直交する方向を向いている。用語「微細特徴部６」の使用は、本明細書において使用される場合、微細な物理的特徴を意味しており、それらは、通常、マイクロメートルスケールであるが、それよりも大きいまたは小さいスケールであってもよい。微細特徴部６は、アレイ形態または不規則な形態で配置することができる。微細特徴部６は、格子、トレンチ、突起部、柱、支柱、孔、不規則構造、または多孔質材料を含むことができる。基板４は、任意の数の材料から形成することができるが、上記方法において説明したように、微細構造化表面２を形成するために成形技術が使用される場合は、ポリマーを含むことができる。微細特徴部６は、基板４の表面よりも突出する高さを含む。その高さは変わり得るが、典型的には、抵抗低減のためには、数十ミクロン（例えば、高さ＝５０μｍ）であり、防汚用途のためには、数ミクロン（例えば、高さ＝５μｍ）に低減することができる。微細特徴部６は、ある距離で互いに分離されている。ピッチは、最も近い隣接する微細特徴部６の中心間距離である。電解質８を含む溶液は、微細構造化表面２上に配置されている。隣接する微細特徴部４間の空間がガス１０で満たされると、液体とガス間の圧力差に応じて、膨らむまたは凹むメニカスが形成される。
【００１７】
微細特徴部６の高さは、凹んだメニカスが基板４に接触しない程度の高さとすべきである。この高さは、微細特徴部６のピッチに応じたものにもなる。微細構造化表面２は、対象となる液体または水が濡れない、すなわちその表面に９０°よりも大きい接触角を形成する材料から形成される微細特徴部６を含む表面、またはそのような材料から表面が形成される微細構造部を含む表面を含むことを理解されたい。これは、液体が水に制限されるものではなく、本明細書に記載されているように、“疎水性”の使用に関わらず、水、油または溶媒を含む任意の種類のものであってもよいことを意味している。
【００１８】
微細特徴部６は、基板４と同じまたは異なる材料から形成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、微細特徴部６は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などから形成されるものであってもよい。微細特徴部６は、特に疎水性である材料から大部分が形成されるものであってもよい。代替的には、微細特徴部６の少なくともある部分が、ＰＴＦＥなどの疎水性材料で被覆されるものであってもよい。幾つかの実施形態では、微細特徴部６間の内面のみが疎水性となるようにして、微細構造部６の上面が疎水性でなくともよい。典型的なアプリケーション中、導電性である電解質８の流体は、微細構造化表面２上に配置される。典型的な電解質８は、海水、またはイオン種が溶解した水が含まれるものであってもよい。
【００１９】
図２を参照すると、微細構造化表面２は、第１電極１２および第２電極１４を含み、それらが、互いに電気的に接続され、例えば、導体１６を介して互いに連結されている。導体１６は、ワイヤ、電線、配線（trace）、トラック（track）、ビアなどであってもよい。第１電極１２および第２電極１４は、一緒に、微細特徴部６間にガス１０を生成するように構成された「内蔵式」または「自己動力供給式」ガス生成器を形成している。重要なことに、ガス１０は、適用される如何なる電源の助けなしに、電極１２上で生成される。その代わりに、微細特徴部６間の空間に電解質８が満たされたときに２つの電極１２，１４および電解質８が、電極１２上にガス１０を自然に生成する電気化学電池（またはより具体的にはガルバーニ電池）を形成するように、第１電極１２、第２電極１４および電解質８は、明確に異なる標準電極電位（ＳＥＰ）（または標準還元電位）を有する材料から形成されている。自然な反応が生じるようにするため、ガルバーニ電池の全体電位は、第１電極１２上でガスを生成するために必要とされる過電位に打ち勝つ必要がある。過電位は、半反応（half-reaction）の熱力学的に決まる還元電位と、レドックス（還元／酸化）事象が実験的に観察される電位との間の電位差（すなわち、電圧）である。例えば、ガス１０の泡形成は過電位を引き起こす。また、第１電極１２上でガス生成するために必要な過電位の大きさは、第２電極１４上のそれよりも小さくすべきであり、それにより、ガスは、電極１４上ではなく、電極１２上で生成される。半反応でガスを生成する任意の電解質８をここで使用することができる。
【００２０】
以下の基準は、本明細書中に記載されているように、微細特徴部６間の空間１３に配置されガス生成のために使用される第１電極１２と、空間１３に配置されても配置されなくてもよい第２電極１４とを有する、電解質８に沈んだ微細構造化表面２の動作に必要な条件を説明する。この説明においては、ガス生成は、第２電極１４で、検知できるほどに生じることはないが、第１電極１２で生じる。第１条件において、ＳＥＰ２と示される第２電極１４のＳＥＰは、以下の方程式に見られるように、ＳＥＰ３と示される電解質８のＳＥＰとは異なる必要がある。
ＳＥＰ２  ≠  ＳＥＰ３  （方程式１）
この条件（方程式１）は、第２電極１４と電解質８間で反応が生じるようにするために必要とされる。
【００２１】
第２条件は、電解質８の半反応が標準圧力および温度下でガス１０を生成するはずのものである。この条件は、その反応が確実にガスを生成するようにするためのものである。
【００２２】
第３条件は、第２電極１４と電解質８間の理論上の標準電池電位の差（ＳＥＰ２−ＳＥＰ３）の大きさが、以下の方程式２に見られるように、ＯＰ３／１と示される第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位よりも大きくなる。
｜ＳＥＰ２−ＳＥＰ３｜  ＞  ｜ＯＰ３／１｜  （方程式２）
この条件（方程式２）は、ガス１０が第１電極１２上で生成されるようにするためのものである。
【００２３】
第４条件において、ＯＰ３／１と示される第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位の大きさは、以下の方程式３に見られるように、ＯＰ３／２と示される第２電極１４上の電解質８の半反応の過電位よりも小さくする必要がある。
｜ＯＰ３／１｜  ＜  ｜ＯＰ３／２｜  （方程式３）
この条件（方程式３）は、ガス１０が第２電極１４ではなく主に第１電極１２上で生成されるようにするためのものである。４つの条件すべては、ガス生成を適切にもたらすために満たされる必要がある。
【００２４】
上記条件は、ガス生成が還元または酸化反応によるのかによって、２つのシナリオに分けられる。第１電極１２上のガス生成が還元反応（例えば、２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２）による場合、第２電極１４のＳＥＰ、ＳＥＰ２は、以下の方程式４に見られるように、電解質のＳＥＰ、ＳＥＰ３よりも小さくする必要がある。
ＳＥＰ２  ＜  ＳＥＰ３  （方程式４）
【００２５】
加えて、電解質８の半反応は、標準圧力および温度下でガスを生成する必要がある。さらに、第２電極１４と電解質８間の理論上の標準電極電位（ＳＥＰ２−ＳＥＰ３）は、以下の方程式５に見られるように、第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／１よりも小さくする（すなわち、より大きな負である）必要がある。
ＳＥＰ２−ＳＥＰ３  ＜  ＯＰ３／１  （方程式５）
【００２６】
第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／１は、以下の方程式６に見られるように、第２電極１４上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／２よりも大きくする（より小さな負である）必要がある。
ＯＰ３／１  ＞  ＯＰ３／２  （方程式６）
【００２７】
代替的には、第１電極１２上のガス生成が酸化反応（例えば、４ＯＨ−＋４ｅ−→Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ）による場合、第２電極１４のＳＥＰ、ＳＥＰ２は、以下の方程式７に見られるように、電解質８のＳＥＰ、ＳＥＰ３よりも大きくする必要がある。
ＳＥＰ２  ＞  ＳＥＰ３  （方程式７）
【００２８】
電解質８の半反応は、標準圧力および温度下でガスを生成する必要がある。第２電極１４と電解質８間の理論上の標準電極電位（ＳＥＰ２−ＳＥＰ３）は、以下の方程式８に見られるように、第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／１よりも大きくする（すなわち、より大きな正である）必要がある。
ＳＥＰ２−ＳＥＰ３  ＞  ＯＰ３／１  （方程式８）
【００２９】
第１電極１２上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／１は、以下の方程式９に見られるように、第２電極１４上の電解質８の半反応の過電位、ＯＰ３／２よりも小さくする（より小さな正である）必要がある。
ＯＰ３／１  ＜  ＯＰ３／２  （方程式９）
【００３０】
具体的に、一実施形態においては、電解質８が中性またはアルカリ性水溶液（例えば、海水）である場合に、標準電極電位は、２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−⇔Ｈ２（ｇ）＋２ＯＨ−から、約−０．８３Ｖである。電解質８が酸性水溶液である場合には、標準電極電位は、２Ｈ＋＋２ｅ−⇔Ｈ２（ｇ）から、０Ｖである。電解質８が選択されたら、標準電極電位および過電位に関する上述した制約を満たすような、第１電極１２および第２電極１４のための可能性がある材料の組合せを得ることができる。具体的には、第１電極１２はニッケルを含む金属または金属合金から形成することができ、第２電極１４は、マグネシウムを含む金属または金属合金から形成することができ、電解質８は（真水、酸性溶液、塩基性溶液など、その他の電解質を使用することも可能であるが）海水とすることができる。この場合、生成されるガス１０は、第１電極１２における水素となる。以下の表１には、試験が好結果であった、様々な材料、ＳＥＰおよび過電位値が記載されている。
【表１】
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【００３１】
微細特徴部６間の空間の少なくとも一部が電解質８で満たされてガス生成電極と接触すると、その時およびその位置で、発生する自然な電気化学反応（すなわち、ガルバーニ反応）によって、ガス１０（例えば、水素）が自動的に生成される。微細特徴部６は、電極１２上で生成されるガス１０が、隣接する微細特徴部６間に形成される局所的な空間、間隙またはウェル１３内に捕捉されて拡大するように、設計され、間隔が空けられている。生成されたガス１０の体積が微細特徴部６の頂部（例えば、上面）まで大きくなると、ガス１０が、微細構造化表面２を横断して微細特徴部６間内に側方に広がり始める。これに関連して、微細構造化表面２は、部分的または完全に濡れた状態から、濡れていない状態に復元することができる。一実施形態では、第１電極１２は、基板４の上に配置されるか、または基板内に埋設される。図２Ａ−２Ｃは、隣接する微細特徴部６間に形成される空間１３内で基板４上に配置される第１電極１２を示している。この実施形態では、第１電極１２は、微細特徴部６間に位置する空間または間隙１３の下面に配置されている。代替的には、第１電極１２は、微細特徴部６の側壁面上に配置されるものであってもよい。そのため、第１電極１２は、微細特徴部６間の任意の位置に配置させることができ、ここで、微細特徴部６の間は、（微細特徴部６の上面または露出面を除く）微細特徴部６間の空間１３および内面を指している。なお、図２Ａ−２Ｃの実施形態において、第２電極１４が微細特徴部６間に配置されていないことに留意されたい。その代わりに、第２電極１４は、微細特徴部６によって形成される内部空間１３の外側に配置されている。
【００３２】
第１電極１２によって生成されたガス１０は、隣接する微細特徴部６間に形成される局所的な空間またはウェル１３において捕捉されて大きくなる。この実施形態では、ガス生成が自己調整的であることに留意されたい。具体的に、電気化学回路は“閉じて”おり、ガス生成は、微細構造化表面２が部分的または全体的に濡れた場合にのみ生じる。隣接する微細特徴部６間の空間１３に電解質８が入り込むと、第１電極１２と第２電極１４の間で回路が閉じて、電気化学反応が進み、それにより、微細特徴部６間に位置する空間１３内にガス１０を遊離させる。十分なガスが生成された後、電気化学回路は、“開いた”状態となり、電気化学反応が停止する。この特徴は、ガス生成器（すなわち、電極）をオンまたはオフに切り換えるために如何なる検知および制御回路も必要としないため、すなわち、ガス生成が、微細特徴部６間の電解質８の存在に応答する自己調整的なものとなるため、特に有利である。
【００３３】
ガス生成は、微細構造化表面２を如何なる外部電源（例えば、バッテリ）に接続することなく、自然に生じ、すなわち、自己充足的なものとなる。しかしながら、ガス生成は、純粋な化学反応（すなわち、電力が付随しないもの）ではなく、電気化学反応（すなわち、内部エネルギーを使用するが、電気的に生じるもの）の生成物であるため、開示したガス生成の方法を、自己充足的だけでなく、「自己動力供給式」とも考えることができる。さらに、上記相違点に関して、微細特徴部６間に位置するガス生成器（すなわち、電極）が、自己電流供給式の電気化学反応における反応物ではないことは、注目するに値する。ガス生成を自己動力供給および自己調整するため、微細構造化表面２は、その微細特徴部６間に捉えられるガス１０を維持する生来の能力を有する。
【００３４】
図３Ａは、微細構造化表面２の一形態の平面図を示している。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃの図面は、図３Ａにおける断面線Ａ−Ａに沿ったものである。この実施形態では、第１電極１２は、微細特徴部６の間であってそれらの下方に位置する実質的に平行なワイヤのパターンとして形成されている。微細特徴部６は、基板４の表面を横断して延びる格子等として形成されている。第１電極ワイヤ１２は、隣接する微細特徴部６間に形成された空間１３に沿って、または当該空間を横断して伸びている。図３Ｂは、微細構造化表面２の別の形態の平面図を示している。この実施形態では、第１電極１２が、微細特徴部６の間であってそれらの下方に位置するメッシュパターンとして形成されている。
【００３５】
図４Ａ−４Ｃは、微細構造化表面２の別の実施形態を示している。この実施形態では、第１電極１２と第２電極１４の双方が、微細特徴部６間に形成された空間１３に配置されている。ここでも、第１電極１２および第２電極１４は、直接的にまたは導体１６を介して、電気的に接続されている。第１電極１２、第２電極１４および電解質８は、明らかに異なる標準電極電位を有する材料から形成されており、電解質８が微細特徴部６の空間１３を満たしたときに２つの電極１２，１４および電解質８が、第１電極１２上にガス１０を自然に生成する電気化学電池（より具体的にはガルバーニ電池）を形成する。自然な反応を生じさせるために、ガルバーニ電池の全体電位は、第１電極１２上におけるガス生成のために必要とされる過電位に打ち勝つ必要がある。また、第１電極１２上におけるガス生成のために必要とされる過電位の大きさは、ガスが電極１４ではなく電極１２上に生成されるように、第２電極１４におけるそれよりも小さくする必要がある。半反応でガスを生成する任意の電極８をここで使用することができる。前述した４つの条件の同じ基準は、この実施形態にも適用される。
【００３６】
図５Ａは、図４の実施形態の微細構造化表面２の一形態の平面図を示している。図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃの図面は、図３Ａにおける断面線Ａ−Ａに沿ったものである。この実施形態では、第１電極１２と第２電極１４の一方または両方が、微細特徴部６の間であってそれらの下方に位置する実質的に平行なワイヤのパターンとして形成されている。図５Ｂは、微細構造化表面２の別の形態の平面図を示している。この実施形態では、第１電極１２と第２電極１４の一方または両方が、微細特徴部６の間であってそれらの下方に位置するメッシュパターンとして形成されている。ここでも、図４は、第１電極１２および第２電極１４が微細特徴部６間で基板４の下面に位置していることを示しているが、電極１２，１４の一方または両方が微細特徴部６の側壁面上に位置するものであってもよい。
【００３７】
図６Ａ−６Ｅは、一実施形態に係る、微細構造化表面２を作成する方法を示している。この方法は、エンボス加工またはインプリントのような成形技術に依存する。先ず、第１電極１２、または第１および第２電極１２，１４が、図６Ａ、６Ｂに見えるように、基板４と金型７の間に配置される。電極１２，１４は、数ある中でも、多孔質層、メッシュ、またはワイヤの集合体とすることができる。電極１２，１４の最小加工寸法（例えば、ワイヤの幅）は、電極１２，１４が凹部を実質的に塞ぐことのないように、金型７の開口（例えば、キャビティ径、トレンチ幅）よりも小さい必要がある。凹部開口の実質的な被覆は、図６Ｃに示す成形ステップ中に凹部の充填を妨げるものとなる。図６Ｃの成形ステップ中は、加圧下で、任意選択的にはさらに高温下で、材料または基板４のその上部が電極１２，１４の周囲に（または電極の開口を通って）流れ、金型７上の凹部内に満たされる。図６Ｄに示すように、金型７が満杯となった後、図６Ｅに示すように、金型７が基板４から分離される。この時点で、電極１２，１４は、完全に露出されるか、または基板４からの材料の薄い残留層に覆われることがある。この薄い残留層は、必要に応じて、プラズマエッチングまたは化学エッチング等の当業者に知られた多くのエッチング方法の一つによって、除去することができる。残留層が十分に薄い場合には電気化学ガス生成が依然生じ得るため、このデバイスは、完全に露出していない電極１２，１４と同様に、意図したように機能することができる。基板４は、厚い、薄い、硬い、または柔軟なものであってもよく、また、一材料から形成されるものであっても、あるいは異なる材料からなる複数の層であってもよい。図６Ａ−６Ｅは、基板４と微細特徴部６に同じ材料が使用されることを示しているが、微細特徴部６の材料は、基板４の材料と同じでも、異なるものであってもよい。
【００３８】
開示の製造方法についての重要な側面は、エンボス加工／インプリントにより微細特徴部６を形成する間に微細特徴部６間に露出またはほぼ露出する電極（例えば、電極１２，１４）を如何に実現するかである。図６Ｃおよび６Ｄに示すように、電極は、成形ステップ中に、金型７と密着した状態にある。この密着は、基板４の材料が、金型７の凹部またはキャビティ内に流れる間に、電極表面に漏れ出すことを防止することができる。離型後、金型７と密着状態にあった電極表面は、図６Ｅに示すように、頂部に僅かな残留材料で、或いは全く残留材料なしで、微細特徴部６間で露出する。通常は、微細特徴部６間に機能性材料を有するエンボス加工／インプリントによる微細特徴部６は、微細特徴部６を成形して成形微細特徴部６間に機能性材料を配置する別個の製造ステップを必要とする。本発明は、僅か一つまたはほぼ一つの成形ステップでプロセスを完了するとともに、機能性材料上に多くの残留材料を依然残すことはなく、微細特徴部６間に露出する機能性材料を得ながらも、従来型のエンボス加工／インプリント技術の簡素さを維持する。この処理方法は、上記ガス保持デバイスのために開発してきたが、生化学的な用途のためのマイクロ流体デバイスなど、その他の目的でも有用である。
【００３９】
図７は、例示的な一実施形態における微細構造化表面２の斜視図を示している。この実施形態では、微細特徴部６は格子であり、空間１３は、隣接する微細特徴部６間に位置するトレンチとして形成されている。電極１２，１４は、微細特徴部６に対してほぼ垂直に延びるワイヤとして示されている。代替的には、電極１２，１４は、微細特徴部６と平行に位置決めされるものであってもよい。
【００４０】
図８Ａ−８Ｄは、図２の形態で動作する微細構造化表面２の実験結果の写真を示している。水（すなわち、海水）に完全に沈められている間、図８Ａの画像は、（微細特徴部６に対して垂直な黒線または暗線として示される）ガスで満たされた微細特徴部６間の空間１３を示している。図８Ａの状態において、微細構造化表面２は、脱濡れ状態にある。図８Ｂは、水で満たされた微細特徴部６間の空間１３の大部分を示している（すなわち、多くの微細構造化表面２が濡れ状態にある）。図８Ｂの状態において、微細構造化表面２は、部分的な濡れ状態にある。図８Ｃは、空間内の水が、空間１３内に生成されたガス１０によって置き換えられていることを示している（すなわち、微細構造化表面２が脱濡れ状態とされている）。図８Ｃは、濡れ状態から離脱中の状態を示し、ガス１０が、空間１３内に含まれる水を押し出す、または追い出すために使用されている。図８Ｄは、空間１３内の水のほぼすべてがガス１０によって置き換えられていること、すなわち、微細構造化表面２が脱濡れ状態に戻ったことを示している。その表面は、実験中、如何なる電源にも接続されることはなかった。微細特徴部内のガスは、自己調整および自己動力供給式に維持された。
【００４１】
本明細書に記載の微細構造化表面２は、水と接触する、水上乗り物または船舶（例えば、ボート、船など）の外面上に使用することも可能である。特定の一実施形態において、電極１２，１４のための材料の選択は、塩水接触用途（例えば、海水を進む水上乗り物または船舶）において使用するための具体的な適合性のために選ばれる。また、微細構造化表面２は、その他の用途にも使用することができる。例えば、微細構造化表面２は、パイプまたは導管の内面に配置されるものであってもよい。
【００４２】
実施形態を開示および説明してきたが、本明細書に開示される発明概念の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることが可能である。よって、本発明は、以下の請求項およびそれらの均等物以外に、限定されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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