(57)【要約】  本発明の実施形態は、１つまたは複数の、時にはヘミウィッキングと呼ばれるアスペリティを有する、超濡れ構造化表面を含むか、または備える。四角柱またはフラストラなどのアスペリティの規則正しい配列を有する構造化された基板が、グラファイトブロックから機械加工され、次いで加工されたブロックを親液性にするために処理された。液体がこれらの表面を覆って広がり、非円形の濡れ領域を生じた。アスペリティ間に形成されたチャネルがより浅く、またはより狭く作られるほど、液体はより多く吐き出され、より広い面積にわたって広がった。基板の固有の濡れ性は、その基板から独立していたか、またはほぼ独立していた。適切な表面構造と適度な固有の濡れ性の組合せが、液体を効果的に平らにし、液体を非常に広い面積にわたって広げることができた。
2010531720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、アスペリティを有する処理表面との接触線における液体の相互作用の強さが空気−液体界面張力に関連する復元力より大きく、それにより、アスペリティを有する処理表面上の液体が交差する毛細管チャネルの中に完全に引き込まれ、液体がアスペリティ面上に前進接触角を確定し、前記アスペリティ間にメニスカスを形成することを特徴とする、物品。
【請求項２】
前記アスペリティが、前記アスペリティ間に形成された毛細管チャネルの底から約９０度の立ち上がり角を有し、前記アスペリティが、１５００ミクロン未満のｙと、１０００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、１０００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、それにより、毛細管チャネル内に引き込まれる構造化表面上の液体がアスペリティ面上に前進接触角を確定せず、液体が前記アスペリティ間にメニスカスを形成しないことを特徴とする、物品。
【請求項５】
前記アスペリティが９０度未満の立ち上がり角を有し、前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、請求項４または５に記載の物品。
【請求項７】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、下記の方程式による接触線力液体力比ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが１．４以上であり、ｆｌｉｎｅが接触線における力であり、ｆｌｉｑｕｉｄが液体の広がりに抗する界面力であり、
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］
ここで、ｚがチャネル高さであり、ｙが単位セルであり、ωが平均立ち上がり角で約９０度であり、θａが水の前進接触角であり、
前記アスペリティを有する処理表面が水に対して完全にコンプライアントな濡れのヘミウィッキング表面であることを特徴とする、物品。
【請求項８】
前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項７に記載の物品。
【請求項９】
アスペリティが正方形配列を形成する、請求項７に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年５月２３日に出願された米国仮出願第６０／９３９，７０９号の優先権を主張するものであり、参照によりその全体を本明細書に組み込む。
【背景技術】
【０００２】
広範囲の実際的な用途が、液体を完全に広がらせる親液性表面から恩恵を受けることができるであろう。そのような用途は、流体処理システム内での乾燥、気泡削減、あるいは燃料電池などの流体−液体多相流れを有する装置内または機器内のチャネル閉塞の削減を含むことができる。滑らかな疎液性表面を濡れやすくする方法はあるが、これらの表面が大気環境に曝される場合は、これらの表面の親液性を維持することは、実際には困難である。これらの高エネルギー表面は、炭化水素および他の低エネルギー汚染物質を素早く引きつけ、その結果、それらの親液性は衰える可能性がある。
【０００３】
親液性と表面トポグラフィを組み合わせる濡れ現象は、スーパーウェッティング、スーパースプレッディング、構造支援ウェッティング、およびヘミウィッキングにより説明されうる。同じ種類の表面が疎液性にされる場合は、それらの表面は、超疎液性挙動または超撥水性挙動を示すことができる。
【０００４】
濡れは、２つの拮抗する力により決定される。液滴が固体表面上に置かれると、接触線における分子間相互作用が、液滴を引き下げる。空気−液体界面の観点からすれば、滴は広げられる。表面上に置かれる前は、滴は、その面積を最小にすることにより、その表面エネルギーを最小にしていた。表面上で、これらの正反対に対立する力が均衡に達すると、滴は、広がりを停止する。滑らかで平らな表面上での、液滴の広がりの程度は、通常、図２ａに示す前進接触角θａにより定量化される。θａがゼロより十分に大きい場合は、例えば５−１０度の場合は、液体は、部分濡れと呼ばれる。反対に、滑らかで平らな表面に対して、ゼロないしほぼゼロ、例えば０−５度の場合は、θａの値は、完全濡れの特性を示すものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３５４４４３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含むか、または備え、アスペリティを有する処理表面が、少なくとも３０度である、付着水滴で測定される前進接触角、いくつかの実施形態においては、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい前進接触角、を有することができるように、前記アスペリティは、アスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成する。より大きな前進接触角を有する処理表面は、より濡れやすい。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、アスペリティを有する処理表面との接触線における液体の相互作用の強さが、空気−液体界面張力に関連する復元力より大きいことを、特徴とすることができる。アスペリティを有する処理表面上の液体は、交差する毛細管チャネルの中に完全に引き込まれ、液体は、アスペリティ面上に前進接触角を確定し、前記アスペリティ間にメニスカスを形成する。
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態において、アスペリティは、前記アスペリティ間に形成された毛細管チャネルの底から約９０度の立ち上がり角を有し、アスペリティは、１５００ミクロン未満の寸法ｙと、１０００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、１０００ミクロン未満の高さ寸法ｚを有する、１つまたは複数の単位セルを有する。
【０００８】
本発明の他の実施形態は、１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含むか、または備える物品であり、アスペリティは、アスペリティ間に、交差する毛細管チャネルを形成し、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角、またいくつかの場合は、アスペリティのない非処理表面より少なくとも４０度小さい前進接触角、を有する。アスペリティを有する処理表面は、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、それによって毛細管チャネルの中に引き込まれる構造化表面上の液体が、アスペリティ面上に前進接触角を確定せず、液体が、前記アスペリティの間にメニスカスを形成しないことを、特徴とすることができる。いくつかの実施形態において、アスペリティは、９０度未満の立ち上がり角を有し、アスペリティ間に形成された毛細管チャネルは、１２００ミクロン未満の寸法ｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さ寸法ｚを有する、１つまたは複数の単位セルを有する。
【０００９】
本発明の他の実施形態は、１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板であり、アスペリティは、アスペリティ間に、交差する毛細管チャネルを形成する。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角、いくつかの実施形態においてはアスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい前進接触角、を有することができる。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、接触線力液体力比ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが１．４以上であり、ここでｆｌｉｎｅは接触線における力であり、ｆｌｉｑｕｉｄは方程式
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］
による、液の広がりに抗する界面力であり、ここで寸法ｚはチャネル高さ、寸法ｙは単位セルの大きさ、ωは平均立ち上がり角で約９０度であり、θａは水の前進接触角であり、アスペリティを有する処理表面は、水に対して完全にコンプライアントな濡れのヘミウィッキング表面である。いくつかの実施形態において、アスペリティ間に形成された毛細管チャネルは、１２００ミクロン未満の寸法ｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体（ｆｅａｔｕｒｅ）寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さ寸法ｚを有する、１つまたは複数の単位セルを有する。いくつかの実施形態において、アスペリティは方形配列を形成することができる。
【００１０】
有利には、アスペリティを含む本発明の実施形態における表面および物品は、強化された親水性および親液性を有することができる。そのような親液性表面は液体を完全に広がらせることができるため、改良された濡れは、広範囲の実用的用途における使用を見いだすことができる。そのような用途は、流体処理システムまたはフォトレジストパッケージング内の乾燥、気泡削減、あるいは燃料電池のように、流体−液体多相流れを有する小さなチャネルを通るオープンなガス流を使用する装置または機器の中のチャネル閉塞の削減を含むことができる。また、そのような表面は、フィルタおよびハウジングなどの液体処理構成部品の洗浄時間を短縮することができ、また、水溶液で洗浄される、ウェーハキャリヤ、ディスク容器、ヘッドトレイ、などの乾燥時間を削減することができる。本発明の実施形態における表面はまた、化学物質の使用量を少なくし、乾燥時間を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１ａ】前進接触角がθａ＝４０°になるように処理された、滑らかなグラファイト表面上に、一滴の４マイクロリットルの水滴が広がって濡れた面積の平面図である。
【図１ｂ】濡れた滑らかな表面の側面図である。
【図１ｃ】前進接触角がθａ＝４０°になるように処理された、幅ｘ＝３９０μｍ、単位セル幅ｙ＝７７０μｍ、および高さｚ＝４２０μｍの四角柱（アスペリティ）の規則正しい配列から成る、構造化されたグラファイト表面の上に、一滴の４マイクロリットルの水滴が広がって濡れた表面の平面図である。
【図１ｄ】濡れた、アスペリティを有する処理表面の側面図である。本図に挿入されたイメージは、液体を置く前の、アスペリティを有する処理表面の側面図である。
【図２ａ】滑らかな固体表面の上に広がった小さな、付着液滴の前進接触角θａを示す側面図である。
【図２ｂ】滑らかな固体表面の上に広がった小さな、付着液滴の円形の接触面積Ａｓを示す平面図である。
【図３ａ】アスペリティとしてピラミッド状のフラストラ（ｆｒｕｓｔｒａ）の規則正しい配列から成る表面の概略平面図である。
【図３ｂ】アスペリティとしてピラミッド状のフラストラの規則正しい配列から成る表面の概略側面図である。
【図３ｃ】アスペリティとしてピラミッド状のフラストラの規則正しい配列から成る表面の、濡れた単位セルの拡大側面図である。
【図４】１カ所の滑らかな部分と、２カ所の平行溝を有する部分と、１カ所の、形体すなわちアスペリティの規則正しい配列を有する部分とを作製する機械加工パターンの平面図である。
【図５】構造化されたヘミウィッキング表面上の水に対して、形状は一定で親液性を変化させた場合の、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。表面は四角柱アスペリティ（ω＝９０°）で覆われ、ここでｘ≒３８０μｍ、ｙ≒７８０μｍ、およびｚ≒４２０μｍであった。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）から得た。
【図６】構造化されたヘミウィッキング表面上の各種液体に対する、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。構造化表面は四角柱アスペリティ（ω＝９０°）の配列で覆われ、ここでｘ≒３８０μｍ、ｙ≒７８０μｍ、およびｚ≒４２０μｍであった。液体は、θａ＝４０°の水、θａ＝２６°のホルムアミド（ＦＡ）、およびθａ＝１７°のエチレングリコール（ＥＧ）であった。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）から得た。
【図７】一連の構造化されたヘミウィッキング表面上の水に対して、四角柱アスペリティ（ω＝９０°）間のチャネル幅ｗ（＝ｙ−ｘ）を４００μｍで一定に保ち、セル間隔に対する柱の幅の比ｘ／ｙを変化させた場合の、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。ｚ≒４２０μｍで、θａ≒４０°である。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）から得る。
【図８】四角柱アスペリティ（ω＝９０°）で覆われた一連の構造化されたヘミウィッキング表面上の水に対する、セル間隔に対する柱の幅の比をｘ／ｙ＝０．５で一定に保ち、単位セルの幅ｙを変化させた場合の、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。ｚ≒４２０μｍで、θａ≒４０°である。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）から得る。
【図９】種々の柱の高さ、すなわちチャネルの深さｚを有する構造化されたヘミウィッキング表面上の水に対する、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。表面形体は、ｘ≒３８０μｍ、ｙ≒７８０μｍ、およびθａ≒４０°の四角柱アスペリティ（ω＝９０°）であった。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）から計算された。
【図１０】ｘ≒５００μｍ、ｙ≒１０００μｍ、ｚ≒４００μｍ、およびθａ≒４０°の、フラストラ（ω＜９０°）または四角柱アスペリティ（ω＝９０°）の規則正しい配列で覆われた、構造化されたヘミウィッキング表面上の水に対する、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示すグラフである。点は実験データであり、実線は、方程式（１１）、（１２）、（２０）および（２１）から得た。
【図１１】θａ＝４０°、ｗ＝ｚ＝ｙ、およびｘ／ｙ＝０．５０、０．７５、または０．９０の四角柱アスペリティの規則正しい配列から成るヘミウィッキング表面上の水に対して、ｙに対するｎｆ／ＶおよびＡｆ／Ｖの計算値を示すグラフである。
【図１２ａ】処理された平坦なグラファイト表面上の滴（上部）、および下に柱状アスペリティを有する処理された基板上の、相当する体積の液体（下部）を示す図である。その結果は、滴の体積の増加につれて覆う範囲が増加すること、および構造化表面上の濡れの完全にコンプライアントな性質を示す。
【図１２ｂ】処理された平坦なグラファイト表面上の滴（上部）、および下に柱状アスペリティを有する処理された基板上の、相当する体積の液体（下部）を示す図である。その結果は、滴の体積の増加につれて覆う範囲が増加すること、および構造化表面上の濡れの完全にコンプライアントな性質を示す。
【図１２ｃ】処理された平坦なグラファイト表面上の滴（上部）、および下に柱状アスペリティを有する処理された基板上の、相当する体積の液体（下部）を示す図である。その結果は、滴の体積の増加につれて覆う範囲が増加すること、および構造化表面上の濡れの完全にコンプライアントな性質を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
種々の構成および方法が本明細書の中で説明されるが、本発明は、説明された特定の分子、構成、方法論、あるいはプロトコルに限定されないことを理解されたい。なぜなら、これらは変化しうるからである。また、説明の中で使われる用語は、特定のバージョンまたは実施形態を説明する目的のためだけであり、本発明の範囲を限定する意図はなく、その範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを理解されたい。
【００１３】
本明細書ならびに添付の特許請求の範囲の中で使われる場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別段に明確に指示しない限り、複数の言及を含むことにも留意されたい。したがって、例えば、「アスペリティ（ａｓｐｅｒｉｔｙ）」に対する言及は、１つまたは複数のアスペリティおよび均等物への言及であり、当業者にはよく知られている、等々。別段に定義されない場合は、本明細書の中で使われる技術用語および科学用語は、当業者により一般的に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書の中で説明される方法および材料に類似のまたは均等物は、本発明の実施形態の実施、または試験に使用されうる。本明細書の中に記載されるすべての出版物は、参照により組み込まれる。本明細書の中の何物も、本発明が、先行発明を理由に、そのような開示を先行させる権利を有しないことを認めるものと解釈されるべきではない。「任意選択の」または「任意選択で」は、それに続いて記載される事象または環境が発生することがあり、または発生しないことがあり、その記載は、その事象が発生する例およびその事象が発生しない例を含むことを意味する。本明細書の中のすべての数値は、明確に示されるか否かにかかわらず、用語「約」により修飾されうる。用語「約」は、全体に、記述された値と同等（すなわち、同じ機能または結果を有すること）であると当業者が考えるであろう数字の範囲のことを言う。いくつかの実施形態において、用語「約」は、提示された値の±１０％のことを言い、他の実施形態においては提示された値の±２％のことを言う。構成および方法は、種々の構成要素またはステップを「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」（「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）が限定されない」を意味するように訳される）という用語で説明される一方で、構成および方法はまた、種々の構成要素およびステップから、「基本的に構成される（ｃｏｎｓｉｓｔ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」ことができるか、または「構成される（ｃｏｎｓｉｓｔ  ｏｆ）」ことができ、そのような用語は、基本的に閉じたメンバー群を定義するものとして訳されるべきである。
【００１４】
本発明の実施形態は、それらの表面上の液体の広がりを増進することができ、それらの表面の中に交差する毛細管チャネルの２次元配列を形成する、アスペリティを有する表面を備えるか、または含む。いくつかの実施形態において、表面は、親液性であるか、または非処理表面より親液性となるように処理される。これらのヘミウィッキング表面は、それらの高さが実質的にゼロになるように、滴を平らにすることができる。液滴がそのようなヘミウィッキング表面により平らにされる、本発明の実施形態における表面に対して、濡れの挙動は、表面の形状、液体の表面張力、および（接触角で測定される）接触線における分子間相互作用の強さにより変化する可能性がある。本発明の実施形態は、完全にコンプライアント、または部分的にコンプライアントでありうるヘミウィッキングを結果としてもたらす、アスペリティを有する表面を備えるかまたは含む。いくつかの実施形態において、表面は、ヘミウィッキング表面の完全にコンプライアントな濡れをもたらす構造すなわちアスペリティを有し、この完全にコンプライアントな濡れは、接触線における相互作用の強さが、空気−液体界面張力に関連する復元力よりも大きい場合に発生する。これらのバージョンにおいて、液体は、アスペリティの割れ目の空間の中に完全に引き込まれ、アスペリティまたは親液性アスペリティ面上に前進接触角を確定する。このことが、図１ｄに示すように、形体間のメニスカスをもたらす。いくつかの実施形態において、完全にコンプライアントな濡れは、基板を形成する材料の滑らかな表面上の前進接触角θａが、ゼロより大であると特徴づけられるときに発生する。他の実施形態において、表面は、ヘミウィッキング表面の部分的にコンプライアントな濡れをもたらす構造を有し、部分的にコンプライアントな濡れは、液体がアスペリティ間、あるいは親液性の形体すなわちアスペリティ間の体積の中に、その前進接触角を確定しない、広がりの任意の段階である。例えば、液体は、形体間の割れ目空間に完全に浸透しているが、メニスカスを示さない。いくつかの場合は、液体は、形体間の割れ目空間に完全に浸透しているが、メニスカスを示さず、滴は、形体を覆う薄い液体層を有する。
【００１５】
本発明の一実施形態は、その表面が１つまたは複数のアスペリティを有する、１つまたは複数の処理表面を有する基板を備えるかまたは含む物品である。例えば、図１に示すように、アスペリティは、アスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成する。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。表面の処理は、プラズマ処理、湿式化学処理、蒸着コーティング、これらの任意の組合せ、または他の方法でありうる。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、Ｖｎに比例することを特徴とすることができ、ここでｎは０．６７より大である。他の実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、また、アスペリティを有する処理表面との接触線における液体の相互作用の強さが、空気−液体界面張力に関連する復元力より大きいことを特徴とすることができる。アスペリティを有する処理表面上の液滴は、交差する毛細管チャネルの中に完全に引き込まれ、液体は、アスペリティ面上の前進接触角を確定し、前記アスペリティの間にメニスカスを形成し、そのような表面は、完全にコンプライアントなヘミウィッキング表面である。アスペリティを有する処理表面の体積は、異なる液体体積を取り入れるために、アスペリティの数、アスペリティの高さ、または被覆面積を変えることによって修正されうる。
【００１６】
完全にコンプライアントな表面のいくつかの実施形態において、アスペリティは、前記アスペリティの間に形成された毛細管チャネルの底からアスペリティの領域まで約９０度の立ち上がり角を有し、アスペリティは、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満のアスペリティ高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを形成することができる。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３５度小さい、いくつかの実施形態においては少なくとも４０度小さい、また他の実施形態においては少なくとも約４０度と６５度の間小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。
【００１７】
いくつかの実施形態において、表面は、アスペリティ間に形成された毛細管チャネルの底から約９０度の立ち上がり角を有するアスペリティを有することができる。アスペリティは、１５００ミクロン未満のｙと、１０００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、１０００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より、少なくとも３５度小さい、いくつかの実施形態においては少なくとも４０度小さい、また他の実施形態においては少なくとも約４０度と６５度の間小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。
【００１８】
本発明の一実施形態は、１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板であり、アスペリティは、アスペリティ間に、交差する毛細管チャネルを形成する。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、Ｖｎに比例することを特徴とすることができ、ここでｎは、０．６７より大きい。他の実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面の上に広がる液体により濡れた面積が、アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例することを特徴とすることができる。構造化表面上の液滴は、毛細管チャネルの中に引き込まれるが、アスペリティ面上に前進接触角を確定せず、液体は、前記アスペリティ間にメニスカスを形成せず、そのようなアスペリティを有する処理表面は、部分的にコンプライアントなヘミウィッキング表面である。部分的にコンプライアントな表面のいくつかの実施形態において、アスペリティは、９０度未満の立ち上がり角を有し、アスペリティ間に形成された毛細管チャネルおよびアスペリティは、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満でありうる最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを形成することができる。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する部分的にコンプライアントな表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３５度小さい、いくつかの実施形態において少なくとも４０度小さい、また他の実施形態において少なくとも約４０度と６５度の間より小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有することができる。アスペリティを有する処理表面の体積は、異なる液体体積を取り入れるために、アスペリティの数、アスペリティの高さ、または被覆面積を変えることにより修正されうる。
【００１９】
本発明の実施形態は、１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を備えるかまたは含むことができ、アスペリティは、アスペリティ間に、交差する毛細管チャネルを形成する。アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、Ｖｎに比例することを特徴とすることができ、ここでｎは０．６７より大である。他の実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が、アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、接触線力液体力比ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが１．４以上であることを特徴とすることができる。下記の方程式による、接触線力液体力比において、ｆｌｉｎｅは接触線における力であり、ｆｌｉｑｕｉｄは液体の広がりに抗する界面力であり、
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］
ここで、アスペリティの１つまたは複数の単位セルに対して、ｚはチャネル高さであり、ｙは単位セルであり、ωは平均立ち上がり角で約９０度であり、θａは滑らかな処理表面上の水の前進接触角である。１．４以上の接触線力液体力比のアスペリティを有する処理表面は、水に対して完全にコンプライアントな濡れのヘミウィッキング表面である。いくつかの実施形態において、アスペリティは、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有することができる。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する処理表面は、アスペリティのない基板の非処理表面より少なくとも３５度小さい、いくつかの実施形態においては少なくとも４０度小さい、また他の実施形態においては少なくとも約４０度と６５度の間より小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する。
【００２０】
本発明の種々の実施形態において、交差するチャネルを形成する１つまたは複数のアスペリティを有する処理表面は、アスペリティで形成されるチャネルに浸透する液体により濡らされる。これらの実施形態における液体およびチャネルは、θａ＋ω＜１８０°の関係を満足すると説明することができ、ここで、θａは前進接触角であり、ωは立ち上がり角、すなわちアスペリティの平均立ち上がり角である。液体がひとたび、チャネル壁が平行でθａ＜９０°のチャネルの中に入ると、液体は、外に向かって吐き出され、他のアスペリティ間に形成されたチャネルを占有する。垂直壁（ω＝９０°）およびθａ＜９０°を有する形体すなわちアスペリティを有するいくつかの構造化表面に対して、液体はチャネルに浸透し、ヘミウィッキングすることができる。他の実施形態において、表面は完全に滑らか、または一様でなく、チャネルを濡らしチャネルに浸透する液体は、θａ＋ω＜１５０°で説明されうる。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態において、構造化表面および液体は、各単位セル内の有効体積の１５％から３０％に相当しうる、メニスカスによる結果として無効体積をもたらしうる。他の実施形態において、構造化表面および液体は、１０％から４０％の範囲の無効体積をもたらしうる、メニスカスによる無効体積をもたらしうる。
【００２２】
本発明の実施形態において提供される構造すなわち表面組織は、たとえ表面が、並みの親液性にすぎないとしても、液体の広がりを大幅に強めることができる。例えば、いくつかの実施形態において、滑らかな表面は、水での測定で、θａ＞１０度、他の実施形態においてはθａ＞２５度、また他の実施形態においてはθａ＞４０度、を有するか、または有するように処理されうる。他の実施形態において、滑らかな表面は、水などの液体での測定で、非処理表面より少なくとも３０度小さい前進接触角θａを有するように処理可能であり、他の実施形態において、滑らかな表面は、水などの液体での測定で、非処理表面より少なくとも４０度小さい前進接触角θａを有するように処理可能であり、他の実施形態において、滑らかな表面は、水などの液体での測定で、非処理表面より少なくとも４０−６５度の間小さい前進接触角θａを有するように処理可能である。図２ａから図２ｂで示すような表面の例は、グラファイトが非処理表面である。図１ａから図１ｄは、滑らかな親液性のグラファイト表面上、および構造化された親液性のグラファイト表面上に広がった水の例を示す。図１ｃから図１ｄは、本発明の実施形態における、完全にコンプライアントな濡れを示す、アスペリティを有する処理表面上の水などの液体の図である。図１ａおよび図１ｂは、滑らかなグラファイト表面の平面図および側面図を示す。この場合、水滴の広がりは、円形の接触面積をもたらす。横から見ると、滴は、円弧に似た有限の断面積を有する。対応する、構造化された、アスペリティを有する処理表面上の濡れの挙動は、図１ｃおよび図１ｄに示すように、全く異なる。上から見ると、液体の接触パッチ（ｃｏｎｔａｃｔ  ｐａｔｃｈ）は表面上のアスペリティに対応し、言い換えれば接触パッチはほぼ正方形であり、アスペリティの配列に対応する。横から見ると、液体は、毛細管構造の中に引き込まれ、表面形体の上部平面に、または上部平面の下に留まる。横から見ると、毛細管構造の中の液体は、表面形体間に、すなわちアスペリティで形成されるチャネル間に、メニスカスを示す。アスペリティは、アスペリティの間に交差する毛細管の空間すなわちチャネルを形成する、フラストラ（ｆｒｕｓｔｒａ）または柱（図示の四角柱）のような構造でありうるが、限定はされない。
【００２３】
アスペリティすなわち表面形体は、基板材料自体の中または上、あるいは基板表面上に堆積された材料の１層または複数の層の中に形成されうる。アスペリティは、任意の規則的な、または不規則な形状の、３次元の中実または空洞であってよく、また任意の規則的な幾何学模様に配置されてよい。アスペリティの非限定的な例は、図１ｃおよび図１ｄでの方形アスペリティ、ならびに図３ｃでのフラストラ形のアスペリティを含み、他のアスペリティの形状は、円筒およびこれらの組合せを含むことができる。
【００２４】
アスペリティは、機械加工、フォトリソグラフィを使用して、あるいは機械加工、ナノ加工、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己集合性金属コロイド単一層、原子間力顕微鏡ナノ加工、ゾル−ゲル成形、自己集合性単層指向パターニング、化学エッチング、ゾル−ゲルスタンピング、コロイドインクプリンティングなどであるが限定はされない方法、あるいは基板上にカーボンナノチューブの層を配置することによる方法を使用して形成されうる。
【００２５】
方法の広い取り合わせが、種々の成形プロセスを含むこれらの表面の生成に使用されうるであろう。射出成形により、本発明の実施形態における組織化された表面（ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）を作るために使用されうる、成形可能な材料の例は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性物質、ならびにＰＦＡおよびＦＥＰなどのペルフルオロ熱可塑性物質を含むが、これらに限定されない。本明細書の中で説明する表面組織に加えて、ＰＦＡ、ＦＥＰおよびＰＴＦＥなど、低表面エネルギーを有する材料は、それらの材料を親水性または親液性にさせるために表面処理を使用することができる。例えば、参照によりその全体を本明細に組み込む、ＵＳ６３５４４４３を参照されたい。射出成形部品に対して、所望の表面組織の反転像が、型に焼き付け可能である。
【００２６】
いくつかの実施形態において、アスペリティすなわち形体は、交差する格子の上に位置する必要はない。適切に設計された平行なチャネルまたは列の配列もまた、機能する。したがって、本発明の実施形態は、押し出し成形技術により作製されうる。例えば、押し出し成形部品に対して、プラスティックの外形に平行溝を導入するために、形体がダイヘッドに加えられうる。
【００２７】
図１ａから図１ｄにおいて、アスペリティの立ち上がり角ωは９０度であるが、例えば表２の種々のサンプルで示すように、または例えばωが鋭角であってよい図３に示すように、他のアスペリティの形状および立ち上がり角が可能である。
【００２８】
幅広い種類のアスペリティの形状および配列が、本発明の範囲の中で可能であることもまた、理解されよう。例えば、アスペリティは、多面体、円柱状、楕円柱、または他の適当な３次元形状であってよい。アスペリティはまた、完全にコンプライアントな表面のために、力比が１．４、または約１．４、または１．４より大に維持される限り、ランダムに分散させられてよい。接触線密度および他の関連するアスペリティのパラメータは、表面に対する平均として概念的に解釈されうる。アスペリティはまた、基板の中に形成された、相互に連通する空洞であってよい。いくつかの実施形態において、アスペリティは、機械的操作、ディジタルプロセシングおよび、または光学的プロセシングのために使用可能な、または後に使用するために改造可能な構造を含まない。いくつかの実施形態において、アスペリティは受動的構造である。
【００２９】
アスペリティは、図１ａから図１ｄに示すような矩形配列、六角形配列などの多角形配列、あるいは円形または卵形配列、あるいはこれらの組合せ、あるいは他の配列に配置されてよい。アスペリティはまた、完全にコンプライアントなヘミウィッキング表面のために接触線の力比が１．４以上に維持される限り、ランダムに分散されてよい。そのような、アスペリティのランダムな配列において、交差する毛細管チャネルおよび他の関連するパラメータは、表面に対する平均として概念的に解釈されてよく、または表面に対して領域により特徴づけられてよい。
【００３０】
本発明の実施形態における毛細管構造は、約１−３ミクロン、他の実施形態において１ミクロン未満の幅、ならびに約１ミクロン以下の深さを有する、交差するチャネルを含むことができる。チャネルは、パターン化された状態で、またはランダムな状態で、交差することができる。
【００３１】
表面用の材料は、ポリマー、あるいはポリマーと、セラミックス、ファイバーまたはナノファイバーなどを含むカーボン、グラファイトなどのカーボンベース材料、ならびに親液性でありうるか、または追加の処理で親液性にされうるコーティングを有する材料を含むことができる。
【００３２】
本発明の実施形態において、滑らかなベース材料は、親液性でありうるか、または任意選択で表面処理またはコーティングにより親液性にされうる。親液性は、滑らかな水平の表面上の付着水滴に対する前進接触角により特徴づけられ、前進接触角は、いくつかの実施形態において８０度未満であり、いくつかの実施形態において４０度未満であり、他の実施形態において３０度未満であり、他の実施形態において２０度未満であり、他の実施形態において１５度未満である。親液性はまた、非処理表面に関連して特徴づけ可能であり、いくつかの実施形態においては酸化、コーティング、またはこれらの組合せによるなどの表面処理は、非処理表面に比べて接触角を３０度以上減少させることができ、いくつかの実施形態においては表面処理は、非処理表面に比べて接触角を４０度以上減少させることができ、他の実施形態においては表面処理は、非処理表面に比べて接触角を４０度から６５度またはそれ以上減少させることができる。本実施形態は、完全にコンプライアントな表面、または部分的にコンプライアントな表面を含むことができる。
【００３３】
本発明のバージョンにおける完全にコンプライアントな、または部分的にコンプライアントなヘミウィッキング表面の濡れ挙動は、定量的に説明されうる。親液性の形体の規則正しい配列で覆われた表面を考える。図３は、頂幅がｔ、底幅がｘ、単位セル幅がｙ、および高さがｚのピラミッド形フラストラから成る構造化表面の拡大された側面図および平面図を示す。本発明の様々な実施形態において、表面形体パラメータの値ｙ、ｚ、およびωは、これらのパラメータのうちの任意のパラメータの平均値、またはこれらの値の約±１０％の範囲内である程度の変動または分散を有する平均値であってよい。表面は図示のように水平を前提とするが、本発明の部分的にまたは完全にコンプライアントな表面の実施形態は、水平な表面に限定されない。表面形体の立ち上がり角または平均値はωであり、形体の頂部間の間隔または平均値はｂである。チャネル幅の尺度である、形体の底における形体間距離は、ｗである。立ち上がり角ω＝９０°の場合は、フラストラは、ｔ＝ｘおよびｂ＝ｗの四角柱となる。そうではなく、ω＜９０°の他の実施形態の場合は、形体の頂幅は、形体寸法およびωから
ｔ＝ｘ−２ｚｃｏｔω  （１）
で推定されうる。濡れた単位セルのそれぞれの中の液体の体積Ｖｕは、
Ｖｕ＝Ｖｔ−Ｖｆ−Ｖｃ  （２）
で推定可能であり、ここでＶｔは各単位セルの全体積、Ｖｆは形体の体積、そしてＶｃはメニスカスによる空気の体積である。各単位セルの全体積Ｖｔは、
Ｖｔ＝ｙ２ｚ  （３）
であり形体の体積Ｖｆは
Ｖｆ＝（１／３）ｚ［ｘ２＋（ｘ−２ｚｃｏｔω）２＋ｘ（ｘ−２ｚｃｏｔω）］  （４）
である。図３ａから図３ｃにおける濡れた単位セルの拡大側面図は、完全にコンプライアントな液体と親液性の構造化表面との相互作用により形成されるメニスカスを示す。液体は、形体面をその前進接触角θａで濡らすことができ、θａとメニスカス角φの幾何学的関係は、
φ＝ω−θａ  （５）
である。図示の非限定的実施形態において、メニスカスの断面積Ａｃ、
Ａｃ＝（１／４）ｂ２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ  （６）
は円弧形状の形状を有し、ここで
ｂ＝ｙ−ｘ＋２ｚｃｏｔω  （７）
である。
したがって、空気−液体界面の湾曲による各単位セル内の空気の体積Ｖｃは、ｘ、ｙ、およびＡｃから
Ｖｃ＝（ｙ＋ｘ−ｚｃｏｔω）Ａｃ  （８）
として概算されうる。方程式（６）−（８）を組み合わせることにより、Ｖｃは
Ｖｃ＝（１／４）（ｙ＋ｘ−ｚｃｏｔω）（ｙ−ｘ＋２ｚｃｏｔω）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ  （９）
となる。
【００３４】
アスペリティを有する表面の濡れたセルの数を数えること、または濡れた面積を測定することは可能である。完全に満たされたセルの数ｎｆは、表面上に置かれた液体の体積Ｖ、および完全に満たされた単位セルの体積Ｖｕから
ｎｆ＝Ｖ／Ｖｕ  （１０）
で計算されうる。方程式（２−４）および（９）を組み合わせて方程式（１０）に代入すると、置いた体積、表面の形状、および表面の濡れ性から満たされる単位セルの数の推定を可能にする式
ｎｆ＝Ｖ｛ｙ２ｚ−（１／３）ｚ［ｘ２＋（ｘ−２ｚｃｏｔω）２＋ｘ（ｘ−２ｚｃｏｔω）］−（１／４）（ｙ＋ｘ−ｚｃｏｔω）（ｙ−ｘ＋２ｚｃｏｔω）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ｝−１  （１１）
が得られる。その面積が完全に満たされるかまたは覆われるセルに対して、濡れた面積Ａｆは
Ａｆ＝Ｖ｛ｚ−（１／３ｙ２）ｚ［ｘ２＋（ｘ−２ｚｃｏｔω）２＋ｘ（ｘ−２ｚｃｏｔω）］−（１／４ｙ２）（ｙ＋ｘ−ｚｃｏｔω）（ｙ−ｘ＋２ｚｃｏｔω）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ｝−１  （１２）
として推定されうる。表面形体が四角柱（ω＝９０°）の場合は、例えば
ｎｆ＝（Ｖ／ｙ２）｛ｚ［１＋（ｘ／ｙ）２］−（ｙ／４）（１＋ｘ／ｙ）（１−ｘ／ｙ）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ｝−１  （１３）
および
Ａｆ＝Ｖ｛ｚ［１＋（ｘ／ｙ）２］−（ｙ／４）（１＋ｘ／ｙ）（１−ｘ／ｙ）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φ｝−１  （１４）
となる。
【００３５】
他の形状の表面形体すなわちアスペリティに対するｎｆおよびＡｆに対して、類似の式が導かれうる。部分的にまたは完全にコンプライアントな濡れを得る安定な親液性表面をもたらし、それにより予期される液体体積Ｖを収容するための任意選択の表面処理により、表面は、十分に大きくされたｎｆおよびＡｆ、ならびに十分に小さくされた接触角で設計可能であり、表面は、予期される液体体積を収容するために、知られている、または様々な範囲の表面エネルギーおよびそれ故メニスカス角φで作製可能である。いくつかのセルが液体で完全には満たされない場合は、本明細書で説明するように、セル数ｎおよび液体で満たされる面積（Ａ）の予期される増加を収容するために、ｎｆおよびＡｆの値は大きくされうる。完全に満たされたセルとは、液体に対する接触線が、アスペリティの頂部表面と側壁との間の、アスペリティの縁部に発生するセルのことを言う。
【００３６】
液体の前進接触角と、アスペリティの形状と、アスペリティが形成する交差チャネルとに従って、（任意選択で処理された）アスペリティを有する表面は、方程式（１１）−（１４）を使用して、予期される液体体積を収容するのに必要な、単位セルの数および面積が形成されうるように形成可能である。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する表面は、表面の単位セルのいくつかが、液体で完全には満たされない場合に、予期される液体体積を収容するように作製されうる。例えば、いくつかの実施形態において、縁部効果ｎｅの原因となる濡れた単位セルの数は、濡れた面積が、ｎｅ１／２×ｎｅ１／２の形体の正方形配列から成ると仮定することにより推定されうる。濡れた正方形の面積の中間領域の単位セル数ｎｍは
ｎｍ＝（ｎｅ１／２−２）２  （１５）
周辺の側部沿いの数は
ｎｓ＝ｎｅ−（ｎｅ１／２−２）２−４  （１６）
そして隅部の数は
ｎｃ＝４  （１７）
でありうる。非限定的な例において、その表面エネルギーを修正するように任意選択で処理された、アスペリティを有する表面に対する１つの近似は、側部沿いの単位セルが満杯の４分の３（３／４Ｖｕ）であり、隅部の単位セルが満杯の半分（１／２Ｖｕ）であると仮定することである。したがって、縁部効果により、構造化表面上に置かれた液体の体積は、中間部、側部および隅部の濡れた単位セルの合計、
Ｖ＝ｎｍＶｕ＋ｎｓ（３／４Ｖｕ）＋ｎｃ（１／２Ｖｕ）  （１８）
に相当する。方程式（１０）および（１５−１８）を組み合わせると、
ｎｆ＝ｎｅ−ｎｅ１／２  （１９）
が得られる。二次方程式の解の公式を使用して、ｎｅはｎｆ項に関して、
ｎｅ＝ｎｆ＋（ｎｆ＋１／４）１／２＋１／２  （２０）
で解くことができる。所与の表面構造に対して、縁部効果の原因となる濡れ面積Ａｅは、
Ａｅ＝（ｎｅ／ｎｆ）Ａｆ  （２１）
として、あるいはｎｅと各単位セルの平面積Ａｕとの積
Ａｅ＝ｎｅＡｕ＝ｎｅｙ２  （２２）
として推定されうる。いくつかの実施形態において、アスペリティを有する構造化表面は、ほぼ正方形であり、これらの濡れた面積の周囲の長さが、近似的に、またはおよそ
ｐｅ＝４ｎｅ１／２ｙ  （２３）
である濡れた領域を生じる。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態において、縁部沿いの単位セルは、上述されたよりも少ない液体しか含むことができない。接触角、滴の体積および／または表面形状、液体−固体接触面積、空気−液体界面面積、および滑らかな表面上の小さな滴の周囲長さなどの種々の形状パラメータ、ならびにメニスカスの湾曲およびメニスカスの単位セル内への入り込み深さによる、形体間の空気−液体界面面積の相対的増加が、上で与えられた方程式と類似の方程式を導くために使用可能であり、それらの縁部に沿って満たす液体の変化量を収容する、変化する面積およびアスペリティを有する表面を作るために使用されうる。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態において、今後存在するであろう液体、例えば水の量は未知であり、物品の構造化表面における動作条件またはプロセス条件に依存する可能性がある。例えば、燃料電池において、分配プレートのチャネルの中で凝縮する水の量は、燃料電池の動作中に変化する可能性がある。アスペリティを有する構造化表面は、構造化されたプレート表面の部分的にまたは完全にコンプライアントな濡れにより、分配プレートチャネルから水の凝縮を取り除き、それにより燃料ガスが電極に入ることを可能にするために使用されうる。燃料電池プレートの毛細管の中の液体の水は、次いで、知られている方法によりプレートから除去されうる。本発明の実施形態は、構造化表面を完全に濡らすか、または部分的に濡らす液体の界面面積を増加させ、また表面からの液体の気化率を増加させるために使用されうる。これは、気化冷却機器および運転に有用であり、同時に、それまで濡れていた、管類、フィルタハウジング、ウェーハキャリヤ、ＦＯＵＰ、ＳＭＩＦポッド、レチクルポッド、チップトレイ、ヘッドトレイ、などであるが限定されない物品を、洗浄し乾燥させるのに必要な時間とエネルギーの量を削減するのに有用でありうる。
【００３９】
例えば、上の非限定的な例証において、周辺に沿った濡れた単位セルは部分的に満たされるにすぎず、側部に沿った単位セルは満杯の４分の３であり、隅部の単位セルは満杯の半分である。前の場合より少ない液体を含む周辺のセルのために、密接に相関する方程式が導入されうる。例えば、側部に沿う単位セルが満杯の２分の１であり、隅部に沿う単位セルが満杯の４分の１であると仮定すると、
ｎｅ＝（ｎｆ１／２＋１）２  （２６）
である。側部が満杯の４分の１であり隅部が満杯の８分の１など、側部および縁部のセルが、さらに少ない液体しか含まない場合は、
【数１】
2010531720.tif 000003
である。
【００４０】
一般に、周辺の単位セルの中の液体の割合は減少するので、所与の液体体積を収容するために、より広い面積が濡らされる。方程式（２３）および（１３）ならびに（２６）、（２７）におけるように導かれたｎｅなどを使用することにより、濡れの周辺が決定可能であり、また所与の予期される液体体積に対する単位セルの数および面積が求められ、所与の表面の中に形成されうる。より大きな、あるいはより小さな単位セル数および面積を有する表面が、場合に応じて作製されうる。
【００４１】
以下の方程式は、接触角、滴の体積および／または表面形状から種々の形状パラメータを推定するために使用されうる。液滴が滑らかな表面上に広がるとき、球面の釣り合いを保つ、すなわち重力がその液滴を変形させない小さな液滴の体積に対して、液体−固体界面面積は、
Ａｓ＝π１／３（６Ｖ）２／３｛ｔａｎ（θａ／２）［３＋ｔａｎ２（θａ／２）］｝−２／３  （２８）
として、ガス−液体界面面積は
Ｓ＝２（９π）１／３（Ｖ）２／３［（１−ｃｏｓθａ）（２＋ｃｏｓθａ）２］−１／３  （２９）
として、また周辺長さは
ｐｓ＝２π２／３（６Ｖ）１／３｛ｔａｎ（θａ／２）［３＋ｔａｎ２（θａ／２）］｝−１／３  （３０）
として推定されうる。メニスカスの湾曲による形体間の空気−液体界面面積の相対的増加は、
Ａｍ／Ａｎｍ＝（θａ−ω）／ｓｉｎ（θａ−ω）  （３１）
として計算されうる。セル内部へのメニスカスの入り込み深さｄｍは
ｄｍ＝［（ｙ−ｘ＋２ｚｃｏｔω）／２］ｔａｎ［（（ω−θａ）／２］  （３２）
である。
【００４２】
接触線力液体力比。液滴が固体表面上に置かれると、分子間相互作用が、空気−液体界面の面積最小化力に抗して接触線を前進させる。空気−液体界面の復元力に対する、接触線における分子間相互作用の相対的な強さは、ヘミウィッキング表面上の液体の広がりが、完全なコンプライアントであるか部分的コンプライアントであるかを決定するために使用されうる。
【００４３】
理論に拘束されることは望まないが、これらの力の相対的大きさの１次近似を行うために、接触線における力ｆｌｉｎｅのいかなる増加も、単位セル当たりの接触線の長さＬおよび液体の表面張力の表面形状に平行な分力γに比例する
ｆｌｉｎｅ＝Ｌγｃｏｓθａ  （３３）
として推定されうる。ここで、単位セル当たりの接触線の増加は
Ｌ＝ｙ＋２ｚ（ｃｓｃω−ｃｏｔω）  （３４）
である。液体の広がりに抗する界面力は、
ｆｌｉｑｕｉｄ＝γｙ  （３５）
として概算されうる。
【００４４】
方程式（３４）と（３５）を組み合わせ、線力と面積力の比を取ることにより、トポグラフィに駆動される広がりに対する相対的な寄与は、
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］  （２５）
となりうる。
【００４５】
ゼロより大の滑らかな表面の接触角と、約９０度または９０度のアスペリティ立ち上がり角とを有する構造化表面の完全にコンプライアントな濡れに対して、ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄの比は、１．４より大であり、いくつかの場合では１．６より大であり、他の実施形態またはバージョンでは２より大である。これらの比を得るために表面形体パラメータ値ｙ、ｚ、およびωを選択することにより、また接触角を修正するために任意選択で基板表面またはアスペリティを処理することにより、これらの表面は、完全にコンプライアントなヘミウィッキング表面にされうる。本発明の様々な実施形態において、表面形体パラメータ値ｙ、ｚ、およびωは、これらのパラメータのうちの任意のパラメータの平均値、またはこれらの値のある程度の変動または分散を有する平均値であってよいが、これらの平均に対するｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄの比は、１．４より大であり、いくつかの場合では１．６より大であり、他の実施形態またはバージョンでは２より大である。
【実施例１】
【００４６】
構造化表面は、カーバイドまたはダイヤモンド状のカーボン被覆カッタを使用して５ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍのグラファイトブロック（Ｐｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ社、Ｇｒａｄｅ：ＥＤＭ−ＡＦ５）から機械加工された。平行なパスが１方向に切られ、次いでブロックは回転させられ、平行なパスが再び切られて格子配列が作られた。各切削方向において、平行なパスは、ブロックの上面が、図４に示すように、１つの滑らかな四半部（線なし、右上の四半部）と、２つの平行溝を有する四半部（左上および右下の四半部）と、１つの規則正しい配列形体を有する四半部（左下の四半部）の、４つの四半部に分割されるように切られた。カッタの深さとパス間の距離は、所望の形体サイズと間隔を有する構造化表面を作るために、変化させられた。多くの場合、端部が四角のカッタが、四角柱および四角底のチャネルを作るために使用された。他のカッタ形状が、フラストラなど、他の形状を有する形体を作るために使用された。
【００４７】
構造化表面の寸法およびそれらの濡れ挙動は、光学顕微鏡を援用して観察された。像は、ＤＸＭ１２００ディジタルカメラを有するＮｉｋｏｎ  Ｅｃｌｉｐｓｅ  ＭＥ６００Ｌ顕微鏡を使用して、倍率５０倍で撮影された。形体幅および間隔は、Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  Ｐｌｕｓソフトウェアを用いて測定された。形体高さおよび濡れ挙動は、ＤＸＭ１２００ディジタルカメラを有するＮｉｋｏｎ  ＳＭＺ１５００顕微鏡を使用して、より低倍率（１０倍から２０倍）で観察された。
【００４８】
濡れ実験の前に、ブロックは、イソプロパノールで、次いで脱イオン水で洗浄され、空気乾燥された。洗浄後、グラファイトは比較的疎液性であった。グラファイトの表面は、酸化処理によって親液性にされた（同様の処理が、下で言及するように、実施例２−７における表面にも使用された）。酸化表面処理の直後に、酸化された表面の平坦な部分すなわち形体のない部分は、かなり水に濡れやすかった。数日のうちに、処理された表面は、疎液性の性質を徐々に取り戻した。この期間中、周期的に、グラファイトブロックの形体のない部分および構造化された部分の両方に、濡れの測定が実施された。
【００４９】
本明細書の中で説明された種々の例の中で使用された濡れの液体は、１８ＭΩの脱イオン水、ホルムアミド（Ａｌｆａ−ＡＥｓａｒ、ＡＣＳ、９９．５＋％）およびエチレングリコール（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ、ａｎｈｙｄｒｏｕｓ、９９．８％）であった。液滴は、１ミリリットルのガラス製注射器（Ｍ−Ｓ、東京、日本）から静かに押し出された。注射器のプランジャ変位が、液体の体積Ｖに変換された。基板の滑らかな四半部の上に、滴が静かに置かれた後、前進接触角θａが、Ｋｒｕｓｓの滴形状アナライザ（ＤＳＡ１０）で測定された。構造化された領域上に置かれた滴に対して、広がる液体により濡らされた単位セルの数ｎが数えられた。これらの測定は、通常、３回実施され、平均と標準偏差が計算された。所与の表面構造に対して、広がり面積Ａが、濡れた単位セルの数ｎに単位セルの平坦な面積Ａｕを掛けることにより
Ａ＝ｎＡｕ＝ｎｙ２  （２４）
で推定された。「Ａ」の不確かさは、ｎおよびｙの測定値からの標準偏差を使用する標準誤差伝搬法により推定された。
【００５０】
完全にコンプライアントな超濡れ、または完全にコンプライアントなヘミウィッキングは、交差する毛細管チャネル網を生じる形体すなわちアスペリティの配列によって表面の一部または複数の部分が覆われることにより、表面の一部または複数の部分の上に実現可能であり、その配列は、規則正しくてもランダムでもよい。図１ｃおよび図１ｄは、基板上にアスペリティを有する構造化表面に対して、θａが０°でなくまたは５°未満でない場合に滴の高さが実質上ゼロであるように、滴を平らにすることができる、完全にコンプライアントな表面の実施形態の一例を示す。例えば、このグラファイトの供試体の滑らかな部分は、θａが約４０°であるように親水性処理され、それ故その前進接触角は、非処理グラファイトの前進接触角が約８０°であると仮定すると、約４０°縮小された。水は滑らかな部分の上で広がり、図１ａに示す円形のパッチを生じた。円形接触パッチの面積は１１ｍｍ２であり、空気−液体界面面積は、およそ１３ｍｍ２であった。この供試体の表面の構造化された部分は、液体の広がりを強める、親液性毛細管チャネルの交差網を生み出す四角柱アスペリティの配列で覆われた。水によるこの構造化表面上の濡れは、図１ｃおよび図１ｄに示すように、完全にコンプライアントであった。
【００５１】
図１ａの滑らかな表面とは対照的に、水は、図１ｄのアスペリティを有する処理表面上に広がり、ほぼ正方形の濡れた領域を生じ、３０個の単位セルが水を含んだ。周辺回りの単位セルは部分的に満たされ、内側の領域の１２個の単位セルが完全に満たされた。構造化表面の濡れた面積は１８ｍｍ２で、滑らかな表面よりずっと広かった。ヘミウィッキング表面上で、水滴の高さおよびその断面積は、本質的にゼロに縮小された。
【００５２】
ここで挙げた構造化表面の面積は、全体として、濡れた単位セルを勘定して推定された平面近似である。これらの面積は、液膜から突き出る、形体の乾燥した上部、あるいは形体間の液体の湾曲を考慮していない。上述の例において、形体の上部の面積を引くと、界面面積は１８ｍｍ２から１４ｍｍ２に減少する。メニスカスの湾曲を考慮すると、推定値は１４ｍｍ２から１６ｍｍ２に増加する。
【００５３】
任意の液体体積は、通常、完全に対称な濡れパターンを生じなかった。図１ａから図１ｄに示す表面に対して、およそ４．６ｍｍ３の体積の水滴が置かれた場合、その結果濡れた面積は、辺当たり６個（ｎ１／２が整数に等しい）の濡れたセルを有する３６個の濡れた単位セルのマトリックスからなる、完全な正方形であったであろう。わずかに小さいかわずかに大きい体積は、ほぼ確実に、部分的に満たされるかまたは空のいずれかの「不完全な」列がもたらされたであろう。
【００５４】
表１は、１から８立法ミリメートルの範囲の体積Ｖの水滴に対する、濡れた単位セル数および濡れ面積を列挙している。この準備された構造化表面は、図１ａから図１ｄに示す構造化表面に類似していた。その構造化表面は、ｘ＝３８０μｍの幅と、ｚ＝４２０μｍの高さと、ｙ＝７８０μｍの単位セル幅と、θａ＝４０°の前進接触角とを有する四角柱（ω＝９０°）の規則正しい配列から成っていた。この表面の濡れは、完全にコンプライアントであった。Ｖ、ｎ、およびＡの値は、実験で求められた。ｎｆおよびＡｆは、実験で求められた表面形状および濡れ性の値を使用して、方程式（１３）および（１４）で計算され、次いで、ｎｅおよびＡｅが、方程式（２０）および（２１）で計算された。縁部効果を考慮した値、ｎｅおよびＡｅは、測定された値、ｎおよびＡと一致した。これらの結果は、所与の液体体積に対して、本発明の実施形態における構造化表面が、その構造化表面が完全にコンプライアントな濡れとなるように作製されうることを示す。
【００５５】
メニスカスにより押しのけられた液体体積は、方程式（１３）および（１４）から定量化されうる。分母の第１項、ｚ［１＋（ｘ／ｙ）２］は、空気−液体界面が平坦（湾曲のないメニスカス）な場合に占有されるであろう全体積を与える。第２項、（ｙ／４）（１＋ｘ／ｙ）（１−ｘ／ｙ）２（φ−ｃｏｓφｓｉｎφ）／ｓｉｎ２φは、メニスカスの湾曲により排除された体積を推定する。完全に濡れた内部領域において、各単位セルにおいて有効な全体積は、０．１９４ｍｍ３であった。メニスカスの存在が、その体積を０．０３０ｍｍ３すなわちおよそ１５％減少させた。ｙがゼロに近づくにつれて、メニスカスの上でかつ形体の上部表面の間の空気の体積は減少する。例えば、この構造化表面の横方向の寸法が縮む一方で、ｚおよびｘ／ｙの値が一定（ｚ＝４２０μｍおよびｘ／ｙ＝０．５）に保たれたならば、メニスカス体積の寄与は、ｙ＝２５０μｍに対して５％に減少する。ｙ＜１μｍに対して、メニスカス項の寄与は、微々たるものであろう。
【００５６】
構造化表面が、比較的大きな単位セル寸法でかつ比較的少ない単位セルを有する場合は、縁部効果は重要となりうる。計算値ｎｆとｎｅの間の差は、全体的に小さなＶに対して大きかったが、濡れた単位セルの数が増加するにつれて縮小した。使用された最大の液体体積Ｖ＝９６ｍｍ３に対して、縁部効果を無視してもなお、ｎおよびＡの合理的な推定値が得られることに留意されたい。これは、計算されたｎｆ値とｎｅ値の比較をベースに、予期された結果である。例えば、ｎｆ＝３０なら、ｎｆとｎｅの間の差は２０％である。濡れた形体の数が３００であれば、それらの差は６％に低下する。３０００の濡れた形体に対して、それらの差は２％以下である。
【実施例２】
【００５７】
図５は、柱状アスペリティを有する処理されたグラファイトの、構造化されたヘミウィッキング表面上の水の体積に対する、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａのプロットを示しており、ここでは形状を一定とし、親液性を変化させた。親液性は、酸化表面処理の継続時間を変えて変化させた。表１の表面に類似の表面は、四角柱（ω＝９０°）で覆われ、ｘ≒３８０μｍ、ｙ≒７８０μｍ、およびｚ≒４２０μｍであった。点は実験データ（表２、サンプル１−３参照）であり、実線は、方程式（２０）および（２１）をベースにしたモデル計算である。ｎおよびＡは共に、Ｖに対して直線的に増加することが認められる。濡れは完全にコンプライアントであり、それ故提案されたモデルは、実験データとよく合った。たとえ表面の親水性が変化しても、これらの構造化表面は、すべて完全にコンプライアントなヘミウィッキングであった。
【００５８】
濡れパターンの特有の形状以上に、いくつかの他の項目において、構造化表面は、滑らかな表面とは劇的に違うことが認められた。所与の前進接触角を有する表面に対して、滑らかな表面上に広がる液体により濡れる面積は、Ｖ２／３で増減する。予期に反して、本発明の実施形態における構造化されたヘミウィッキング表面上に広がる液体により濡れる面積（Ａ）は、所与の前進接触角（処理またはコーティングにより決定された）に対して、ほぼＶに比例することが認められた。滑らかな親水性の表面に対して、面積および周辺長さは、θａのわずかな減少に対して著しく増加することができる。例えば、θａが４０°から１０°に減らされると、Ａは１６６％増加する。反対に、図５に示す構造化されたヘミウィッキング表面に対して、θａの４０°から１０°への縮小により、Ａは１９％だけ増加するにすぎない。全体的に、本発明のバージョンにおいて、アスペリティを有し任意選択で表面処理された表面は、アスペリティを有する表面上に広がる液体により濡れた面積がＶｎに比例することを特徴とすることができ、ここでいくつかの実施形態においてｎは０．６７より大きく、他の実施形態においてｎは約１である。
【００５９】
原則として、θａ＋ω＜１８０°であれば、濡らす液体は、本発明のバージョンにおけるアスペリティによって形成されるチャネルに浸透するはずである。液体がひとたびチャネルに入ると、チャネル壁が平行でθａ＜９０°の場合は、液体は外に向かって吐き出されるはずである。垂直壁（ω＝９０°）およびθａ＜９０°を有した形体すなわちアスペリティを有する構造化表面に対して、液体は、チャネルに浸透してヘミウィッキングすることが予期されたであろう。この場合に使用されたグラファイト表面は、完全には滑らかでなく、一様でもないことが認められた。θａ＞６０°の四角柱では、水は、容易には浸透して広がることができないことが認められた。他の材料および表面仕上げにより、水が染み込み広がることが可能になったであろうし、あるいは液体をチャネル内に浸透させるために、さらなる表面処理によって前進接触角が修正されえたであろう。
【００６０】
図５に示す表面に対して、メニスカスによる無効体積は、各単位セルにおける有効体積の１５％から２８％を示す。本明細書で試験されたすべての構造化表面、例えば表２参照、に対して、無効体積の割合は少し大きく、１１％から３８％の範囲であった。
【実施例３】
【００６１】
図６は、構造化されたヘミウィッキング表面（柱状アスペリティを有する処理されたグラファイト）上の種々の液体において、体積Ｖに対してプロットされた、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示す。液体は、表２のサンプル４−６を見ると、θａ＝１７°のエチレングリコール、θａ＝２６°のホルムアミド（ＦＡ）およびθａ＝４０°の水であった。表面は、四角柱（ω＝９０°）の配列で覆われ、ｘ≒３８０μｍ、ｙ≒７８０μｍ、およびｚ≒４２０μｍであった。図６における実験データは、点で示される。この特定の表面形状の上の水は、前進接触角θａ＝４０°を有し、完全にコンプライアントなヘミウィッキングを示した。前の実験および図５を参照されたい。水より小さいθａ値をもたらす他の液体に関して、エチレングリコール（ＥＧ）とホルムアミド（ＦＡ）双方の接触線における相互作用の強さは、水の相互作用の強さよりもさらに大きかった。同様に、より低いγ値が、空気−液体界面において作用する復元力を減少させた。図示の通り、ＥＧおよびＦＡはまた、完全にコンプライアント（約９０度のアスペリティ立ち上がり角に対して接触の力比は１．４以上）であった。実線で示す方程式（２０）および（２１）はやはり、十分にヘミウィッキングを表した。
【実施例４】
【００６２】
図７は、柱状アスペリティを有する処理されたグラファイトの、一連の構造化されたヘミウィッキング表面上の水に関して、チャネル幅ｗ（＝ｙ−ｘ）が４００μｍで一定に保たれ、セル間隔に対する柱の幅の比ｘ／ｙが０．３８から０．６５まで変えられた場合の、体積Ｖに対する濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示す。表２、サンプル７−１０のデータを参照されたい。４平面すべてに対して、ｚ≒４２０μｍおよびθａ≒４０°であった。ｎおよびＡは共に、Ｖに対して直線的に増加した。チャネルの相対的なサイズが減少する（すなわち、ｘ／ｙが小さくなる）につれて、ｎおよびＡは増加した。狭いチャネルにより、液体がより遠くへ吐き出され、より広い面積を覆う。方程式（２０）および（２１）から計算された実線は、実験データと正確に合致した。サンプルはすべて、完全にコンプライアントであり、接触の力比は１．４以上であり、アスペリティ立ち上がり角は約９０度であった。
【実施例５】
【００６３】
図８において、他の一連の構造化されたヘミウィッキング表面（柱状アスペリティを有する処理されたグラファイト）上の水に関して、濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａが、体積Ｖに対してプロットされている。前のプロットとは対照的に、セル間隔に対する柱の幅の比は約ｘ／ｙ＝０．５で一定に保たれ、単位セル幅ｙが変えられた。表２、サンプル１１−１３を参照されたい。これらの表面は、図７に示すチャネル幅および親液性と同じチャネル幅および親液性、ｚ≒４２０μｍおよびθａ≒４０°を有した。点は実験データである。ここで、単位セルのサイズが増加するにつれて、ｎは減少した。しかし、Ａは変わらなかった。これらの結果から、ｘ／ｙ、ｚ、およびθａが一定に保たれる場合は、単位セルの絶対的なサイズは、比較的重要でないことが分かる。実線で示される予測値は、データとよく合致した。約９０度の立ち上がり角に対して、サンプルは、接触の力比が１．４以上の場合には、すべて完全にコンプライアントであり、１．４以上の接触比に対して部分的にコンプライアントであった。
【実施例６】
【００６４】
図９は、柱状アスペリティを有する処理されたグラファイトの、一連の構造化されたヘミウィッキング表面上の水に関して、ｚ＝１８０μｍから５４０μｍまでの範囲の様々な柱高さすなわちチャネル深さに対して、体積Ｖに対する濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示す。表２、サンプル１４−１７を参照されたい。表面形体は、幅ｘ≒３８０μｍおよび単位セル幅ｙ≒７８０μｍの四角柱（ω＝９０°）であった。これらの表面の滑らかな部分の上の前進接触角は、θａ≒４０°であった。点は実験データであり、実線は、方程式（２０）および（２１）で計算された。ｚ＝４２０μｍおよび５４０μｍの、より深いチャネルを有する２つの構造化表面は、完全にコンプライアントなヘミウィッキングをもたらした。ここで、ｎおよびＡの予測値は、実験データとよく合致した。
【００６５】
ｚ＝１８０μｍおよび２７０μｍの、より浅いチャネルを有する２つの表面の場合は、水が広がって正方形のパッチを生じたけれども、濡れは、部分的にコンプライアントであるにすぎなかった。その結果、予測された値は大きすぎた。理論に拘束されることは望まないが、四角柱間のチャネルが浅くなったため、表面の毛細管をより不完全に確定することに相当する、各単位セル内の接触線長さの減少が、空気−液体界面を引き延ばすのに有効な濡れ力の大きさを減少させた可能性がある。横から見ると、水は、短い柱の上部を覆って平らに広がったが、柱の間にメニスカスを形成しなかった。したがって、方程式（１４）のメニスカスの湾曲の項を無視することにより、ｎおよびＡの観測値と計算値の間の合致が改善された。
【実施例７】
【００６６】
図１０は、フラストラ（ω＝６０°および７７°）の規則正しい配列で覆われたフラストラのアスペリティを有する処理されたグラファイトの、構造化されたヘミウィッキング表面上の水に関して、体積Ｖに対する濡れたセル数ｎおよび濡れ面積Ａを示す。表２、サンプル１８−２０を参照されたい。四角柱（ω＝９０°）に対するデータが、比較のために含められた。３つすべての表面に対して、ｘ≒５００μｍ、ｙ≒１０００μｍ、ｚ≒４００μｍ、およびθａ≒４０°であった。点は実験データであり、実線は、方程式（１１）、（１２）、（２０）、および（２１）から計算される。四角柱で覆われた表面は、完全にコンプライアントな濡れを示した。反対に、フラストラを有する２つの表面は、部分的にコンプライアントであるにすぎなかった。フラストラは、メニスカスを生成する能力において、柱とは違っていた。より小さいωの値は、より小さいメニスカスの湾曲を意味した。θａ≒４０°の場合、メニスカスは、ω＝７７°に対して浅く、ω＝６０°に対してほとんど存在しなかったはずである。ω＝７７°に対して、フラストラは空気−液体界面を突き抜けたが、メニスカスは示さなかった。ω＝６０°に対して、フラストラは水を突き抜けることはなく、フラストラの上部は薄い水膜で覆われた。理論に拘束されることは望まないが、形体が同じベース寸法を有する一方で、フラストラは、各単位セル内に、柱よりも少ない体積を占めた。また、より小さいωの値のフラストラが、空気−液体界面を引き延ばすのに有効な、各単位セル内の接触線長さを減少させた。
【００６７】
表２に示すサンプルにおいて、１．３より大きなｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ比を有するサンプルは、完全にコンプライアントであった。
【００６８】
拮抗する、接触線における力と液体内の力の単純比、ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］  （２５）
が、トポグラフィ駆動の広がりに対するそれらの力の相対的な寄与を測定するために使用されうる。
【００６９】
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが十分に大きいときは、接触線における相互作用は、空気−液体界面の最小化力に打ち勝つことができ、ヘミウィッキングは完全にコンプライアントでありうる。表２は、本実施例で実験された種々の液体−表面の組合せに対する値を示す。その組合せは、主要なパラメータ、θａ、γ、ｘ／ｙ、ｗ＝ｙ−ｘ、ｙ、およびωの影響を示すために分類される。種々の表面に対して、ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ比≧１．４が、約９０度の立ち上がり角に対して完全にコンプライアントである濡れをもたらしたことが認められた。
【００７０】
接触線における力と空気−液体界面内の力の間の競り合いが濡れの程度を決定し、単位セル当たりの接触線の量を増加させることにより、または濡れ性を増加させることにより、部分的にコンプライアントな表面を完全にコンプライアントな濡れに変えるために使用されうる。例えば、浅いチャネル（ｘ＝３７０μｍ、ｙ＝７８０μｍ、ｚ＝２７０μｍ、およびω＝９０°、サンプル１５）を有する、水に対して部分的にコンプライアントな構造化表面は、θａを４０°からおよそ１０°まで縮小させるように、さらに処理された。ここで、水滴が置かれ、広がりの程度が、より大きなθａ値を有する表面と比較された。より小さい接触角は被覆を改善したが、完全なコンプライアンスはもたらさなかった。これらの表面上の広がりを決定することに関して、表面構造が、濡れ性（すなわち、θａまたはγ）よりも重要でありうる。
【００７１】
構造化されたヘミウィッキング表面のいくつかの実施形態において、チャネルは、完全にコンプライアントな濡れが得られるように、十分に深く、かつ十分に親液性に作製されうる。いくつかの実施形態において、チャネルは、吐き出される液体により広い面積を覆わせるために、狭く作製されうる。耐久性および製造の容易さのために、表面形体は、チャネルがあまりに狭くないように、またはあまりに深くないように作製されうる。しかし、あまりに浅いと、ｎおよびＡは減少する。いくつかの実施形態において、表面は、それらの幅と深さがほぼ同じ（ｗ＝ｚ）の、狭くて親液性のチャネル（ｘ／ｙ≧０．５およびθａ＜５０°）を含むことができる。例えば、図１１は、θａ＝４０°、ｚ＝ｙ−ｘ、およびｘ／ｙ＝０．５０、０．７５、または０．９０において、広範囲のｙ値を有する四角柱の規則正しい配列から成る、相応する一連のヘミウィッキング表面上に広がった水に対するｎｆ／ＶおよびＡｆ／Ｖの計算値を示す。ｙ値の減少は、単位セル寸法を縮小することに相当する一方で、チャネル断面のアスペクト比および単位セル間隔に対するそのサイズは、共に一定に保たれる。それ故、所与の液体体積に対して、寸法が小さくなるにつれて、覆われる面積は増加する。したがって、これらのヘミウィッキング表面上に置かれた液体の体積が１ｍｍ３でありｘ／ｙ＝０．５０の場合、ｙ＝１００μｍに対してＡｆ＝３２ｍｍ２である。しかし、約１μｍのｙに対しては、桁違いに増加して約３２００ｍｍ２になる。対照的に、滑らかな親液性の表面（θａ＝１０°）上の、同体積の液滴は、ほんの１２ｍｍ２しか覆わないであろう。有利には、交差するチャネルを備えるアスペリティを含む構造化表面を有する本発明の実施形態における材料は、構造すなわちアスペリティのないそのような材料の平らな表面が、ゼロより大きな前進接触角を、いくつかの実施形態においては１０度以上の前進接触角を、いくつかの実施形態においては２５度以上の前進接触角を、また他の実施形態においては４０度以上の前進接触角を有するとき、完全にコンプライアントな濡れ、または部分的にコンプライアントな濡れをもたらすことができる。対照的に、以前の粗い表面は、ヤングの接触角がゼロのとき、または接触角がゼロのときに、粗い表面上で、完全な濡れ（見かけの、または実際の接触角がゼロ）を得ることができるにすぎない。高度に親液性の表面は汚染物質を引き寄せる可能性があり、ゼロまたはゼロに近い接触角を維持することは困難であるので、本発明における構造化表面の実施形態は、表面の濡れ特性に対してより大きな安定性および耐久性をもたらす。
【００７２】
本発明の実施形態における構造化表面は、例えば、燃料電池の分配プレートの中に、またはフィルタコア、ケージ、またはハウジングボウルの一部として含まれうる。これらの構造化表面は、これらの、例えば分配プレートチャネルのチャネルまたはフェースの１つまたは複数の表面上に作られうる。方向は、広がりの程度、広がりの方向、または濡れた面積の形状に対して、重要な影響は与えない。同じアプローチが、規則的であるかランダムであるかを問わず、他のチャネル形状に適用されうるであろう。
【００７３】
本発明の実施形態は、表面の見かけの親液性を、構造または表面組織の導入により改善する。毛細管チャネル網を生成する表面形体が、液体の広がりを強める。いくつかの実施形態において、これらの特定の表面の直交する形状が、正方形の濡れ領域をもたらした。ヘミウィッキングは、表面の形状により変化し、またそれより少ない程度に、液体の表面張力、または（接触角で測定された）接触線における分子間相互作用の強さにより変化した。
【００７４】
完全にコンプライアントな、または部分的にコンプライアントな、異なる２種類のヘミウィッキング挙動が、本発明の実施形態における表面構造によりもたらされうる。ヘミウィッキング表面の完全にコンプライアントな濡れは、接触線における相互作用の強さが空気−液体界面張力に関連する復元力に打ち勝ち、液体が、割れ目空間の中に完全に引き込まれ、親液性アスペリティ面上に前進接触角を示すメニスカスを確定する場合に生じた。部分的にコンプライアントなヘミウィッキングにおいては、拮抗する力は大きさが匹敵し、これらの実施形態において、液体はメニスカスを示さず、または薄い液層が形体を覆った。
【００７５】
液体が表面構造に浸透し、完全なコンプライアンスがもたらされた表面の実施形態においては、固有の濡れ性は、あまり重要ではなかった。これらの実施形態において、チャネルがより浅く、またはより狭く作られた場合は、液体はより広い面積を覆って広がった。
【００７６】
表１。構造化された完全にコンプライアントなヘミウィッキングの、アスペリティを有する処理されたグラファイト表面の上に、種々の体積Ｖの水滴が置かれた後の、濡れた単位セル数ｎ、および濡れ面積Ａ。表面は、ｘ＝３８０μｍの幅、ｚ＝４２０μｍの高さ、およびｙ＝７８０μｍの単位セル幅を有する四角柱（ω＝９０°）の規則正しい配列から構成された。対応する滑らかな表面は、θａ＝４０°の前進接触角を有した。
【表１】
2010531720.tif 000004
【００７７】
表２。種々の液体−固体の組合せに対する、接触線において作用する力と流体−液体界面内で作用する力の比、ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ。
【表２】
2010531720.tif 000005
【００７８】
本発明を、本発明のいくつかの好ましい実施形態に関して相当詳細に説明してきたが、他のバージョンが可能である。それ故、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、本明細書に含まれる説明および好ましいバージョンに限定されるべきではない。
【図１ａ】
2010531720.tif 000006
【図１ｂ】
2010531720.tif 000007
【図１ｃ】
2010531720.tif 000008
【図１ｄ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
2010531720.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月21日(2010.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有し、
前記アスペリティが、前記アスペリティ間に形成された毛細管チャネルの底からの立ち上がり角ωを有し、前記アスペリティが、単位セル幅ｙ、アスペリティ底幅ｘ、およびアスペリティ高さｚを有する１つまたは複数の単位セルを有し、ｘ／ｙの比が０．３８から０．６５の間であり、前記アスペリティが（ｙ−ｘ）であるチャネル幅ｗを有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、アスペリティを有する処理表面との接触線における液体の相互作用の強さが空気−液体界面張力に関連する復元力より大きく、それにより、アスペリティを有する処理表面上の液体が交差する毛細管チャネルの中に完全に引き込まれ、液体がアスペリティ面上に前進接触角を確定し、前記アスペリティ間にメニスカスを形成することを特徴とする、物品。
【請求項２】
前記アスペリティが、前記アスペリティ間に形成された毛細管チャネルの底から約９０度の立ち上がり角を有し、前記アスペリティが、１５００ミクロン未満の単位セル幅ｙと、１０００ミクロン未満の最大アスペリティ底幅ｘと、１８０ミクロンから５４０ミクロンのアスペリティ高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有し、前記チャネル幅ｗがおよそアスペリティ高さｚである、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、それにより、毛細管チャネル内に引き込まれる構造化表面上の液体がアスペリティ面上に前進接触角を確定せず、液体が前記アスペリティ間にメニスカスを形成しないことを特徴とする、物品。
【請求項５】
前記アスペリティが９０度未満の立ち上がり角を有し、前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大表面形体寸法ｘと、５００ミクロン未満の高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも４０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、請求項４または５に記載の物品。
【請求項７】
１つまたは複数の、アスペリティを有する処理表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成し、前記アスペリティを有する処理表面が、アスペリティのない前記基板の非処理表面より少なくとも３０度小さい、付着水滴で測定される前進接触角を有する、物品であって、
前記アスペリティを有する処理表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有する処理表面上に置かれた液滴の体積に比例し、下記の方程式による接触線力液体力比ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが１．４以上であり、ｆｌｉｎｅが接触線における力であり、ｆｌｉｑｕｉｄが液体の広がりに抗する界面力であり、
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］
ここで、ｚがチャネル高さであり、ｙが単位セルであり、ωが平均立ち上がり角で約９０度であり、θａが水の前進接触角であり、
前記アスペリティを有する処理表面が水に対して完全にコンプライアントな濡れのヘミウィッキング表面であり、ｘ／ｙ比が０．３８から０．６５の間であり、ここでｘはアスペリティ底幅であり、前記アスペリティが（ｙ−ｘ）であるチャネル幅ｗを有する、ことを特徴とする、物品。
【請求項８】
前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大アスペリティ底幅ｘと、１８０ミクロンから５４０ミクロンの高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項７に記載の物品。
【請求項９】
アスペリティが正方形配列を形成する、請求項７に記載の物品。
【請求項１０】
１つまたは複数の、アスペリティを有し任意選択で処理される表面を有する基板を含み、前記アスペリティがアスペリティ間に交差する毛細管チャネルを形成する、物品であって、
前記アスペリティを有し任意選択で処理される表面が、前記アスペリティを有する処理表面上に広がる液体により濡れた面積が前記アスペリティを有し任意選択で処理される表面上に置かれた液滴の体積に比例し、下記の方程式による接触線力液体力比ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄが１．４以上であり、ｆｌｉｎｅが接触線における力であり、ｆｌｉｑｕｉｄが液体の広がりに抗する界面力であり、
ｆｌｉｎｅ／ｆｌｉｑｕｉｄ＝ｃｏｓθａ［１＋２（ｚ／ｙ）（ｃｓｃω−ｃｏｔω）］
ここで、ｚがチャネル高さであり、ｙが単位セルであり、ωがアスペリティの平均立ち上がり角であり、θａが前記任意選択で処理される表面上の水の前進接触角であり、
前記アスペリティを有し任意選択で処理される表面が完全にコンプライアントな濡れのヘミウィッキング表面であり、ｘ／ｙの比が０．より大であり、ここでｘはアスペリティ底幅であり、前記アスペリティが（ｙ−ｘ）であるチャネル幅ｗを有し、前記毛細管チャネル内の前記液体がθａ＋ω＜１８０°の関係を満たすことを特徴とする、物品。
【請求項１１】
前記毛細管チャネル内の前記液体がθａ＋ω＜１５０°の関係を満足する、請求項１１に記載の物品。
【請求項１２】
前記アスペリティを有し任意選択で処理される表面が５０度未満の、付着水滴で測定される前進接触角を有する、請求項１０に記載の物品。
【請求項１３】
前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大アスペリティ底幅ｘと、１８０ミクロンから５４０ミクロンの高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項１１に記載の物品。
【請求項１４】
前記アスペリティ間に形成された前記毛細管チャネルが、１２００ミクロン未満のｙと、８００ミクロン未満の最大アスペリティ底幅ｘと、１８０ミクロンから５４０ミクロンの高さｚとを有する１つまたは複数の単位セルを有する、請求項１２に記載の物品。
【国際調査報告】
2010531720.tif 000026
2010531720.tif 000027
2010531720.tif 000028