(57)【要約】１気圧以上の液圧において超撥水性を示すことのできる耐久性のある超撥水性流体接触表面を有する流体流通部品。表面は、概ね、突出する規則的形状のマイクロスケールまたはナノスケールの複数の突出部を有する基材部分を含む。突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が式2006523812.tif 000025にしたがって決定される接触線密度値“ΛＬ”と等しいかそれよりも大きくなるように配置されている。式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。
2006523812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流通部品であって、
少なくとも一つの流体接触表面部分を有する本体を有し、前記流体接触表面部分はほぼ均一な形状の多数の突出部を有する基材を含み、各突出部は基材に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が式
2006523812.tif 000018
にしたがって決定される接触線密度値“ΛＬ”と等しいかそれよりも大きくなるように配置されており、式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角であり、また、表面は少なくとも１気圧の圧力において流体との液体−固体−気体界面を示すようになっている流体流通部品。
【請求項２】
突出部が凸部である請求項１に記載の部品。
【請求項３】
突出部が多面体の形状である請求項２に記載の部品。
【請求項４】
各突出部がほぼ正方形の横断面を有する請求項２に記載の部品。
【請求項５】
突出部が円筒形または曲線柱の形状である請求項２に記載の部品。
【請求項６】
突出部が基材に形成された凹部である請求項１に記載の部品。
【請求項７】
突出部がほぼ均一なアレイで配置される請求項１に記載の部品。
【請求項８】
突出部が長方形アレイで配置される請求項７に記載の部品。
【請求項９】
突出部が、基材部分に対してほぼ均一な突出部高さを有し、突出部高さが、式
2006523812.tif 000019
によって決定されるメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚｃ”よりも大きく、式中、ｄはメートルで表された隣接する突出部間の距離であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項１に記載の部品。
【請求項１０】
部品が内表面を有するボアを有するチューブを含み、少なくとも一つの流体接触表面部分が前記内表面上にある請求項１に記載の部品。
【請求項１１】
部品がバルブである請求項１に記載の部品。
【請求項１２】
部品が流体移動装置である請求項１に記載の部品。
【請求項１３】
流体移動装置がポンプである請求項１２に記載の部品。
【請求項１４】
超撥水性流体接触表面と接触する少なくとも１気圧の圧力の液体を撥水するのに適した超撥水性流体接触表面を有する流体流通部品を製造するプロセスであって、プロセスが、
外表面を有する基材を含む流体流通部品を準備する段階と、
ほぼ均一な形状の多数の突出部を基材の外表面に形成する段階と、
を有し、各突出部が基材部分に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が式
2006523812.tif 000020
にしたがって決定される接触線密度値“ΛＬ”と等しいかそれよりも大きくなるように配置されており、式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角であるようなプロセス。
【請求項１５】
突出部がフォトリソグラフィにより形成される請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
突出部が、ナノ機械加工、マイクロ打抜き加工、マイクロ密着焼付け法、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノ機械加工、ゾル−ゲル成形、自己組織化単分子層方向性パターンニング、化学エッチング、ゾル−ゲル打抜き加工、コロイドインクによる焼付け、平行なカーボンナノチューブの層を基材に配置することから成るグループから選択されるプロセスによって形成される請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１７】
所定圧力値までの液圧において超撥水性を有する流体接触表面を有する流体流通部品を製造するためのプロセスであって、プロセスが、
突出部立上り角を選択する段階と、
式
2006523812.tif 000021
にしたがって臨界接触線密度“ΛＬ”を決定する段階と、
基材を有する流体流通部品を設ける段階と、
基材に多数の突出部を形成して、表面が臨界接触線密度と等しいか臨界接触線密度より高い真の接触線密度を有するようにする段階と、
を有し、式中、Ｐは所定圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角であるようなプロセス。
【請求項１８】
突出部がフォトリソグラフィを用いて形成される請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
突出部が、ナノ機械加工、マイクロ打抜き加工、マイクロ密着焼付け法、自己組織化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノ機械加工、ゾル−ゲル成形、自己組織化単分子層方向性パターンニング、化学エッチング、ゾル−ゲル打抜き加工、コロイドインクによる焼付けを用いて、または、平行カーボンナノチューブの層を基材上に配置することによって形成される請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２０】
突出部について幾何学形状を選択する段階をさらに有する請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２１】
突出部についてアレイパターンを選択する段階をさらに有する請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２２】
突出部について少なくとも一つの寸法を選択する段階と、接触線密度についての式を用いて突出部について少なくとも一つの他の寸法を決定する段階とをさらに有する請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２３】
式
2006523812.tif 000022
にしたがってメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚｃ”を決定する段階をさらに有し、式中、ｄはメートルで表された隣接する突出部の間の距離であり、θａ，０は表面における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２４】
流体流通システムであって、
少なくとも一つの流体接触表面部分を有する本体を含む少なくとも一つの流体流通部品を有し、前記流体接触表面がほぼ均一な形状の多数の突出部を有する基材を含み、各突出部は基材に対して共通の突出部立上り角を有し、突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が式
2006523812.tif 000023
にしたがって決定される接触線密度値“ΛＬ”と等しいかそれよりも大きくなるように配置されており、式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角であり、また、表面は少なくとも１気圧の圧力において流体との液体−固体−気体界面を示すようになっている流体流通システム。
【請求項２５】
突出部が凸部である請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
突出部が多面体の形状である請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
各突出部がほぼ正方形の横断面を有する請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
突出部が円筒形または曲線柱の形状である請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
突出部が基材に形成された凹部である請求項２４に記載のシステム。
【請求項３０】
突出部がほぼ均一なアレイで配置される請求項２４に記載のシステム。
【請求項３１】
突出部が長方形アレイで配置される請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
突出部が、基材部分に対してほぼ均一な突出部高さを有し、突出部高さが、式
2006523812.tif 000024
によって決定されるメートルで表された臨界突出部高さ値“Ｚｃ”よりも大きく、式中、ｄはメートルで表された隣接する突出部間の距離であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である請求項２４に記載のシステム。
【請求項３３】
部品が内表面を有するボアを有するチューブを含み、少なくとも一つの流体接触表面部分が前記内表面上にある請求項２４に記載のシステム。
【請求項３４】
部品がバルブである請求項２４に記載のシステム。
【請求項３５】
部品が流体移動装置である請求項２４に記載のシステム。
【請求項３６】
流体移動装置がポンプである請求項３５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２００３年４月１５日出願の「高圧液体のための超撥水性表面」という名称の米国仮特許出願第６０／４６２９６３号の利益を主張している。この仮特許出願は本願において全面的に文献援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、概ね、流体流通部品、より詳しくは、超撥水性の流体接触表面を有する流体流通部品に関する。
【０００３】
発明の背景
通路、パイプ、チューブ及び関連する継手などの流体流通部品及び他の部品は、一つの場所またはプロセスから別の場所またはプロセスへ液体を運搬するのに千年にわたって使用されてきた。しかし、流体流通部品により流体を移動させる際の摩擦は常に、流体流通システムにおける最高効率の達成に対する大きな課題となっている。摩擦は、システム内で流体をポンプ供給するのに必要なエネルギーを増大させ、システムにおける流体流量を減少させる。
【０００４】
流体流通部品の流体接触表面の物理的特徴が流体と部品との摩擦に影響を与えることは周知である。例えば、概して滑らかな表面は摩擦を低下させるが、粗い表面は摩擦を増大させる。また、ＰＴＦＥなど、湿潤に対する耐性を有する材料で製造された表面は比較的低い流体摩擦を示す。液体による浸潤に対する耐性を有する表面は、「撥性(phobic)」表面と呼ばれる。このような表面は、液体が水である場合には撥水性(hydrophobic)として、他の液体については撥液性(lyophobic)として知られる。
【０００５】
流体流通システムにおける流体摩擦を軽減しようとする従来の試みは、部分的に成功しているに過ぎない。比較的滑らかな流体接触表面を設けることにより流体摩擦が低下するが、達成可能な低下の程度は制限される。同様に、ＰＴＦＥなどの表面浸潤特性が改良された従来の材料では、結果的に摩擦の性質に改良が見られるが、改良の程度は制限される。また、使用される材料と流体との適合性に基づいて、材料の選択は制約を受ける。
【０００６】
最近のいくつかの研究では、流体流通用途、特にマイクロ流体の用途に使用するための特殊な「超撥水性」表面の開発に焦点が当てられている。概して、水または他の液体の微小液滴が表面に対して非常に高い静止接触角（約１２０度を超える）を呈する程度まで表面が浸潤に対する耐性を有する場合、表面が示す液滴を保持する傾向がきわめて低い場合、あるいは、液体に完全に浸漬された時に、液体−気体−固体界面が表面に存在する場合に、表面は超撥水性または超撥液性と呼ばれる。本出願の目的のために、超撥水性の語は超撥水性及び超撥液性の表面の両方を指すのに一般的に使用される。
【０００７】
従来の表面と対照的に、超撥水性表面では、液体と表面との間の摩擦が著しく低い。その結果、マクロスケールにおいて、無数の水力学的または流体力学的な用途、特にマイクロ流体の用途では、表面摩擦を低下させて流量を増大させるのに超撥水性表面がきわめて望ましい。
【０００８】
表面の粗さは表面浸潤の程度に大きな影響を及ぼすことは現在よく知られている。ある条件下では、粗さは液体が対応する滑らかな表面よりも表面に強固に付着する原因となる。しかし、他の条件下では、粗さは液体が滑らかな表面ほど強固に粗い表面に付着しない原因となる。ある条件においては、表面は超撥水性である。
【０００９】
超撥水性表面を製造するため意図的に粗さを表面に設ける努力が以前から行われてきた。粗くされた表面は、概して、マイクロスケールからナノスケールの多数の凸部または凹部を有する基材部材の形を取る。これらの凸部又は凹部は、ここでは「突出部(asperities)」と呼ばれる。
【００１０】
マイクロ／ナノスケールの突出部を有する超撥水性表面を製造しようとする従来の試みは、部分的にしか成功していない。概して、先行技術による表面は、この表面に注意深く置かれた液滴に対して、ある条件下では超撥水性を示すが、液滴が表面に衝突するか表面が液体に浸漬された時には、この性質は概ね消失する。
【００１１】
超撥水性表面の使用が望ましい流体流通用途における流体圧力は、１気圧を超えることが多く、極端な用途では数百気圧に達する。現在までに製造されている超撥水性表面は、約０．１気圧までの超撥水性表面にのみ有効であると見られ、流体流通部品の用途におけるこのような表面の適用性を著しく制限している。
【００１２】
さらに、先行技術による超撥水性表面は、基材に塗布されるデリケートなポリマーまたは化学的コーティングとともに形成されることが多い。このようなコーティングは流体圧力によっても簡単に物理的に破損するため、有効でない。流体流通部品の用途は、一般的に、部品がかなりの有効使用期間を有するように、耐久性のある流体接触表面を必要とする。
【００１３】
排水性もしばしば流体流通システムにおいて重要な特徴である。一般的に、メンテナンスのためであっても他の理由からであっても、大部分の流体流通システムの排水を時々行う必要がある。様々な理由から、できる限り大量の流体が同時にシステムから排水されることが概して望ましい。さらに、望ましくないプロセス汚染を最小にするために、半導体処理などの用途では、ほぼ全ての流体がシステムから排水されることが重要である。
【００１４】
従来の流体流通システムでは、流体と流体接触表面との間に十分な付着力があって、個々の液滴がシステムの流体接触表面に付着することがしばしばある。液滴の除去は容易でなく、大型システムではかなりの量の流体を含む。
【００１５】
同業界では、加圧状態での流体摩擦特性をかなり軽減させるとともに排水性を向上させた流体流通部品が今なお必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，０５２，４７６号明細書
【特許文献２】米国特許第５，０７０，９３７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３７１，４１４号明細書
【特許文献４】米国特許第６，６５５，４５１号明細書
【発明の開示】
【００１６】
発明の概要
本発明は、１気圧以上の液圧において超撥水性を示すことのできる耐久性のある超撥水性流体接触表面を有する流体流通部品を含む。表面は、概ね、突出する規則的形状のマイクロスケールまたはナノスケールの複数の突出部を有する基材部分を含む。突出部は、表面が平方メートルで表された表面積あたりのメートルで測定された接触線の接触線密度を有し、その接触線密度が式
2006523812.tif 000003
にしたがって決定される接触線密度値“ΛＬ”と等しいかそれよりも大きくなるように配置されている。式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。
【００１７】
突出部は、基材材料そのもの、または基材の表面に配置された一層以上の材料に形成される。突出部は、規則的または不規則的な形状の三次元のソリッド(solid)または凹部(cavity)であり、何らかの規則的な幾何学的パターンで、またはランダムに配置される。
【００１８】
本発明はまた、所定圧力値までの液圧において超撥水性を有する流体接触表面を有する流体流通部品を製造するためのプロセスを含む。プロセスは、突出部立上り角を選択する段階と、式
2006523812.tif 000004
にしたがって臨界接触線密度“ΛＬ”値を決定する段階と、基材部材を設ける段階と、基材に多数の突出部を形成して、表面が臨界接触線密度と等しいか臨界接触線密度より高い真の接触線密度を有するようにする段階とを含む。なお、式中、Ｐは所定圧力値であり、γは液体の表面張力であり、θａ，０は実験測定による突出部材料における度で表された液体の真の前進接触角であり、ωは突出部立上り角である。
【００１９】
突出部は、フォトリソグラフィを用いて、またはナノ機械加工、マイクロ打抜き加工、マイクロ密着焼付け、自己集合化金属コロイド単分子層、原子間力顕微鏡ナノ機械加工、ゾル−ゲル成形、自己集合化単分子層方向性パターンニング、化学エッチング、ゾル−ゲル打抜き加工、コロイドインクによる焼付けを用いて、または平行カーボンナノチューブ層を基材に配置することによって形成される。プロセスはさらに、式
2006523812.tif 000005
にしたがって臨界突出部高さ値“Ｚｃ”を決定する段階を含む。式中、ｄはメートルで表された隣接する突出部の間の距離であり、θａ，０は度で表された表面における液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。
【００２０】
超撥水性流体接触表面２０を有する流体流通部品は、きわめて低い流体摩擦特徴を示し、流体流通システムの効率を大きく改善するとともに流体の流れの処理量を改良することが予想される。液滴を懸架して表面傾斜の方向に重力によって液滴を自由に転落させるという表面の傾向のために、排水性は大きく向上する。超撥水性表面は耐久性を有し、上に概説された方法にしたがって選択される設計圧力までの流体圧力において超撥水性を示すことが可能である。
【００２１】
他の有益な性質も予測される。例えば、超撥水性流体接触表面２０は、液状の水を撥水する表面の傾向のために、バイオフィルムの成長に抵抗することが予想される。その結果、本出願の流体流通部品は、例えば、温水貯蔵及び循環システムのようにバイオフィルム成長の抑制が望ましいような用途を有する。
【００２２】
発明の詳細な説明
本出願において、「流体流通部品」の語は、パイプ、チュービング、継手、バルブ、流量計、タンク、ポンプその他の装置、あるいは、流体を流通、運搬、収容、搬送する部品を広く指す。「流体接触表面」の語は、流体と接触する流体流通部品の表面または部分を広く指す。「流体流通システム」の語は、流体によって相互接続された流体流通部品の構成を指す。
【００２３】
本発明による流体流通部品の様々な実施形態が、図１ａ〜１ｇに描かれている。図１ａおよび１ｂにおいて、所定長さのチュービング１００は、本体１０２を有し、その本体の中にはボア１０４が形成されている。ボア１０４と並ぶように基材層１０６が配置されている。超撥水性流体接触表面２０が基材層１０６に形成され、ボア１０４を流れる流体と接触するように内方に面している。本発明の所有者によって共有されている「流体制御装置のための性能ポリマーフィルムインサート成形」という名称の同時係属米国特許出願第１０／３０４，４５９号に開示されているように、基材層１０６はフィルムインサート成形により本体１０２に形成される。なお、この同時係属出願は、本願においてその全体が文献援用される。図１ａおよび１ｂの実施形態には独立した基材層１０６が描かれているが、他の実施形態では、本体１０２が基材として機能し、超撥水性流体接触表面２０がその内向表面に直接形成されてもよいことは容易に理解できるだろう。また、超撥水性流体接触表面は、チュービング１００の全長にわたって設けられてもよいし、流れの条件が重要であるような所望の点に選択的に配置可能であることも理解できるだろう。
【００２４】
所定長さの二本のパイプ１１０を接続する９０度エルボ継手１０８の形の流体流通部品の別の実施形態が、図１ｃに描かれている。エルボ継手１０８は本体部分１１２を有し、内表面１１４に直接的に超撥水性流体接触表面２０を有している。各パイプ１１８の内表面１１６も、超撥水性接触表面２０を有する。言うまでもなく、超撥水性流体接触表面２０はいかなる形状または大きさのパイプ、チュービング、継手および通路にも設けることができることは容易に理解できるだろう。例えば、ここでは９０度エルボ継手が図１ｃに描かれているが、スイープエルボ、Ｔ字管、Ｙ字管、衛生用継手などの他の継手、マニホルドなどにも、本発明による超撥水性流体接触表面を設けることができる。
【００２５】
さらに、図１ｄに描かれている二位置バルブ１２０など、より複雑な他の流体流通部品にも超撥水性流体接触表面２０を設けることができる。二位置バルブ１２０は概ね、バルブボデー１２２とバルブステム１２４とを含む。バルブボデー１２２は概ね、連続流路１３０によって接続された流入ポート１２６と流出ポート１２８とを含む。バルブステム１２４は、ハンドル１３２とロッド１３４と密封面１３６とを含む。超撥水性流体接触表面２０は、流入ポート１２６と流出ポート１２８と流路１３０とを含む二位置バルブ１２０の浸潤表面全体またはその所望の部分に形成される。超撥水性流体接触表面２０は、バルブステム１３４の浸潤部分にも形成される。
【００２６】
流体流通部品１３８のさらに別の実施形態が図１ｅに描かれている。図１ｅにおいて、三位置バルブ１４０は、流入ポート１４４と第１流出ポート１４６と第２流出ポート１４８とを有するバブルボデー１４２を含む。三位置バルブ１４０はまた、中央ボア１５２の中のバルブステム１５０を含む。第１流出ポート１４６と第２流出ポート１４８は、残りの流体回路への相互接続を容易にする突出端部を有する構造である。やはり、超撥水性流体接触表面２０が、バルブボデー１４２とバルブステム１５０の浸潤表面全体に、またはそのなんらかの部分に選択的に形成されている。
【００２７】
超撥水性流体接触表面２０はいかなるバルブ構造にも適用されることは明らかであろう。このような構造は、いくつかの数の流入および流出バルブと、雄および雌を含む多様なバルブ接続と、ねじスタイルのコネクタと、衛生用コネクタとを含む。さらに、本発明による超撥水性流体接触表面は、ボールバルブ、ゲートバルブおよびダイアフラムバルブに使用されるものを含む多様なバルブステムに選択的に適用される。
【００２８】
図１ｆおよび１ｇに描かれているように、流体流通部品は、流量計アセンブリ１５４の形でもよい。流量計アセンブリ１５４は概ね、流入ポート１５６と流出ポート１５８と視認チューブ１６０とフロート１６２とを含む。図の実施形態では、超撥水性流体接触表面２０は流量計アセンブリ１５４の浸潤表面すべてに形成されている。図１ｇに描かれた別の実施形態では、視認チューブ１６０が内側基材層１６４を有し、基材層１６４の内表面１６６に超撥水性流体接触表面２０が設けられている。超撥水性流体接触表面２０は、流量データを送信するためのセンサを有する流量計を含めて、いかなるタイプの流体監視装置にも適用できることは理解できるだろう。このような実施形態では、超撥水性流体接触表面２０は、パドルホイールとタービンと磁石とを利用するセンサに、または業界で一般的に使用される流量検知装置に形成される。
【００２９】
要約すると、超撥水性流体接触表面２０は、このような性質が望ましいいかなる流体流通部品にも適用できることが理解できるだろう。このような流体流通部品の他の例は、ポンプ、ノズル、ダムなどの流体移動装置と、シリンダなどの油圧部品とを含む。本発明の超撥水性流体接触表面２０は、高い流体圧力が使用される場合には特に、マイクロ流体による流体流通部品への適用が好都合であることは容易に理解できるだろう。
【００３０】
さて、超撥水性流体接触表面２０が大きく拡大された図が、図１ｈに描かれている。表面２０は概ね、多数の突出部２４を有する基材２２を含む。各突出部２４は、複数の側面２６および上面２８を有する。各突出部２４は、図では“ｘ”で示された幅寸法と、図では“ｚ”で示された高さ寸法とを有する。
【００３１】
図１ｈ〜３に描かれているように、突出部２４は規則的な直交アレイで配置され、各突出部は、図で“ｙ”で示された間隔寸法により隣接の突出部から離間している。突出部２４の上面エッジ３０により定められる角度はφで示され、基材２２に対する突出部２４の側面２６に対する立上り角はωで示されている。角度φとωとの和は１８０度である。
【００３２】
概して、超撥水性流体接触表面２０は、液体−固体−気体界面がその表面に維持される時に超撥水性を呈する。図７に描かれているように、液体３２が突出部２４の上面２８および上面エッジ３０に近接する側面２６の一部分のみと接触する場合には、空気または他の気体が充填された空間３４が突出部の間に残り、必要な液体−固体−気体界面が存在する。液体は、突出部２４の上および突出部２４の上面エッジ３０の間に「懸架」されていると言える。
【００３３】
以下で開示されるように、液体−固体−気体界面の形成は、突出部２４のある相関的な幾何学的パラメータと、液体の性質とに左右される。本発明によれば、表面２０が所望の液圧で超撥水性を示すように突出部２４の幾何学的な性質が選択される。
【００３４】
図１ｈ〜３の直交アレイを参照すると、表面２０は、各突出部２４を囲繞する均一エリア３６、すなわち、点線を境界線として描かれたエリアに分割できる。各均一エリア３６における突出部の面密度（δ）は式、
2006523812.tif 000006
で表される。式中、ｙはメートルで測定された突出部間の間隔である。
【００３５】
図１ｈ〜３に描かれた正方形断面の突出部２４については、上面エッジ３０における上面２８の周の長さ（ｐ）は、
2006523812.tif 000007
である。式中、ｘはメートルで表された突出部の幅である。
【００３６】
周ｐは、液体−固体−気体界面の箇所を画定する「接触線」と呼ばれる。単位面積の表面あたりの接触線の長さである表面の接触線密度（Λ）は、周（ｐ）と突出部の面密度（δ）との積であり、式
2006523812.tif 000008
で表される。
【００３７】
図１〜３に描かれた正方形突出部の直交アレイについては、式
2006523812.tif 000009
が成り立つ。
【００３８】
液体に作用する重力に起因する体積力（Ｆ）が突出部の接触線に作用する表面力（ｆ）より小さい場合には、突出部２４の上に一定量の液体が懸架される。重力に関連する体積力（Ｆ）は、式
2006523812.tif 000010
により決定される。式中、ｇは液体の密度（ρ）であり、（ｇ）は重力による加速度であり、（ｈ）は液体の深さである。ゆえに、例えば、およそ１０００ｋｇ／ｍ３の密度を有する１０メートルの水柱では、体積力（Ｆ）は、
2006523812.tif 000011
となるだろう。
【００３９】
一方、表面力（ｆ）は、液体の表面張力（γ）と、垂線θｓに対する突出部２４の側面２６の見かけの接触角と、突出部の接触線密度（Λ）と、液体の見かけの接触面積（Α）とに左右される。
2006523812.tif 000012
【００４０】
所定の固体材料における液体の真の前進接触角（θａ，０）は、実験測定によって、本質的に突出部を持たない材料の表面における液体の最大静止接触角として定義される。真の前進接触角は、当該技術で周知の技術によって容易に測定可能である。
【００４１】
突出部を有する表面上の懸架された滴は、突出部の側面において真の前進接触角値（θａ，０）を示す。突出部の側面における垂線に対する接触角（θｓ）は、以下のように、φまたはωによって真の前進接触角（θａ，０）と関係付けられる。
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【００４２】
Ｆとｆを等しくして接触線密度Λを求めることによって、表面における超撥水性を予想するための臨界接触線密度パラメータΛＬが決定される。
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式中、ｇは液体の密度（ρ）であり、（ｇ）は重力による加速度であり、（ｈ）は液体の深さであり、（γ）は液体の表面張力であり、ωは度で表された基材に対する突出部の側面に対する立上り角であり、（θａ，０）は実験測定による度で表された突出部材料における液体の真の前進接触角である。
【００４３】
Λ＞ΛＬの場合、液体は突出部２４上に懸架されて超撥水性表面が形成される。逆に、Λ＜ΛＬの場合には、液体は突出部から落下して、表面上の接触界面は超撥水性を有さない単なる液体／固体となる。
【００４４】
上に挙げた式の分子に適切な値を代入することにより、所望の量の圧力で超撥水性を保持する表面を設計するために、臨界接触線密度の値が決定されることは理解できるであろう。式は以下のようにまとめられる。
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式中、表面が超撥水性を示すに違いない最高圧力であって、キログラム／平方メートルで表された値であり、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験測定による度で表された突出部材料における液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。
【００４５】
上記の関係にしたがって形成された表面２０が、上の式（９）で使用されたＰの値までの液圧値において超撥水性を示すことは概ね予想されるだろう。表面が浸漬されても、液体のジェットまたはスプレーを受けても、個々の液滴に衝突されても、超撥水性が見られるであろう。
【００４６】
上の関係によれば、表面２０は約１０，３３０ｋｇ／ｍ２に等しい１気圧の液圧において超撥水性を示す。この場合、表面２０の接触線密度Λは、式
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で決定される臨界接触線密度ΛＬと等しいかこれを超える。式中、γはニュートン／メートルで表された液体の表面張力であり、θａ，０は実験的に測定された度で表された突出部材料における液体の真の前進接触角であり、ωは度で表された突出部立上り角である。
【００４７】
臨界接触線密度の値が決定されると、接触線密度についての式で与えられるｘとｙとの関係にしたがって、突出部の幾何学形状の残りの詳細が決定される。言い換えると、接触線式でｘとｙとのいずれかの値を選択して他の変数を求めることにより、表面の幾何学形状が決定される。
【００４８】
図６に描かれているように、液体界面は隣接する突出部の間で量Ｄ１だけ下方へ撓む。量Ｄ１が突出部２４の高さ（ｚ）よりも大きい場合には、突出部２４の間の点で液体は基材２２と接触する。これが起こると、液体は空間３４へ引き寄せられて突出部から落下し、表面の超撥水性が損なわれる。Ｄ１の値は臨界突出部高さ（Ｚｃ）を表し、以下の式
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にしたがって決定することができる。式中、（ｄ）は隣接する突出部の間の距離であり、ωは突出部立上り角であり、θａ，０は実験的に測定された突出部材料における液体の真の前進接触角である。突出部２４の高さ（ｚ）は臨界突出部高さ（Ｚｃ）に少なくとも等しくなくてはならず、望ましくはこれより大きい。
【００４９】
図１ｈ〜３では、突出部立上り角ωは９０度であるが、他の突出部幾何学形状も可能である。例えば、ωは、図９に描かれているように、鋭角でもよいし、図１０に描かれているように、鈍角でもよい。概して、ωは８０度と１３０度の間であることが望ましい。
【００５０】
本発明の範囲内で多様な突出部形状および構成が可能であることも理解できるだろう。例えば、突出部は多面体、図１１〜１２に描かれた円筒形、曲線柱、他の適当な三次元形状でよい。さらに、突出部の接触線密度を最大にするために、様々な戦略を利用できる。図１４および１５に描かれているように、突出部２４には基部３８および頭部４０が形成されてもよい。上面エッジ３０における頭部４０の周が長くなると、表面の接触線密度が高くなる。また、上面エッジ３０での周を長くして接触線密度を高めるために、図１６に描かれているように、溝４２などの特徴が突出部２４に形成されてもよい。突出部は基材に形成された凹部とすることもできる。
【００５１】
突出部は、上述したような長方形アレイ、図４〜５に描かれた六角形アレイなどの多角形アレイ、または円形や卵形の構成で配置されてもよい。臨界接触線密度が維持される限り、突出部はランダムに分散されてもよいが、このようなランダム構成は予想される超撥水性が低いため、あまり望ましくない。このような突出部のランダム構成では、臨界接触線密度および他の関連パラメータは、その表面の平均値として説明される。図１３の表には、他の様々な突出部形状と構成について接触線密度を計算するための式が挙げられている。
【００５２】
概して、基材材料は、マイクロまたはナノスケールの突出部が適当に形成される材料でよい。突出部は、フォトリソグラフィまたは様々な適当な方法のいずれかによって、基材材料そのものに直接形成されるか、基材材料に配置された一層以上の他の材料に形成される。マイクロ／ナノスケールの突出部を形成するのに適したフォトリソグラフィ法は、ＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ  ０２／０８４３４０号に開示されている。これは、本願においてその全体が文献援用されている。
【００５３】
所望の形状および間隔の突出部を形成するのに適した他の方法は、米国特許出願公開第２００２／００３３４８７９号に開示されたナノ機械加工、米国特許第５，７２５，７８８号に開示されたマイクロ打抜き加工、米国特許第５，９００，１６０号に開示されたマイクロ密着焼付け法、米国特許第５，６０９，９０７号に開示された自己組織化金属コロイド単分子層、米国特許第６，４４４，２５４号に開示されたマイクロ打抜き加工、米国特許第５，２５２，８３５号に開示された原子間力顕微鏡ナノ機械加工、米国特許第６，４０３，３８８号に開示されたナノ機械加工、米国特許第６，５３０，５５４号に開示されたゾル−ゲル成形、米国特許第６，５１８，１６８号に開示された自己組織化単分子層方向性パターンニング、米国特許第６，５４１，３８９号に開示された化学エッチング、米国公開特許出願第２００３／００４７８２２号に開示されたゾル−ゲル打抜き加工を含む。これらはすべてその全体が本願において文献援用されている。所望の突出部形状を形成するのに、カーボンナノチューブ構造も使用可能である。カーボンナノチューブ構造の例は、米国公開特許出願第２００２／００９８１３５号および第２００２／０１３６６８３号に開示されている。これらもその全体が本願において文献援用されている。また、適当な突出部構造はコロイドインクによる周知の焼付け法を用いて形成することができる。言うまでもなく、マイクロ／ナノスケールの突出部が正確に形成される他の方法も使用されることは理解できるだろう。
【００５４】
超撥水性流体接触表面２０を有する流体流通部品は、きわめて低い流体摩擦特徴を示し、流体流通システムの効率を大きく改善するとともに流体の流れの処理量を改良することが予想される。液滴を懸架して、表面傾斜の方向に重力によってこれを自由に転落させるという表面の傾向のため、排水性は大きく向上する。超撥水性表面は、耐久性があり、上に概説した方法によって選択される設計圧力までの液圧において超撥水性を示すことができる。
【００５５】
他の有益な性質も予想される。例えば、超撥水性流体接触表面２０は、液状の水を撥水するという表面の傾向のために、バイオフィルムの成長に抵抗することが予想される。その結果、本出願の流体流通部品は、例えば、温水貯蔵及び循環システムなどバイオフィルム成長の抑制が望まれるような用途を有する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１ａ】本発明による超撥水性流体接触表面を有する所定長さのチュービングを示す長手方向部分断面図である。
【図１ｂ】図１ａに描かれた所定長さのチュービングの断面図である。
【図１ｃ】パイプの二つのセクションを接続している本発明による９０度エルボ継手を示す長手方向部分断面図である。
【図１ｄ】本発明による二方向バルブ部品を示す断面図である。
【図１ｅ】本発明による三方向バルブ部品を示す断面図である。
【図１ｆ】本発明による直列形流量計を示す断面図である。
【図１ｇ】本発明による直列形流量計視認チューブを示す断面図である。
【図１ｈ】多数のナノ／マイクロスケールの突出部が長方形アレイで配列されているような本発明による超撥水性表面を示す拡大斜視図である。
【図２】図１の表面の一部分を示す上面図である。
【図３】図２に描かれた表面部分を示す側面図である。
【図４】突出部が六角形アレイで配列されているような本発明による別の実施形態を示す部分上面図である。
【図５】図４の別の実施形態を示す側面図である。
【図６】突出部間に懸架された液体の撓みを示す側面図である。
【図７】突出部上に懸架された所定量の液体を示す側面図である。
【図８】突出部間の空間の底面と接触する液体を示す側面図である。
【図９】突出部立上り角が鋭角であるような本発明による別の実施形態の単一の突出部の側面図である。
【図１０】突出部立上り角が鈍角であるような本発明による別の実施形態の単一の突出部の側面図である。
【図１１】突出部が円筒形であるとともに直交アレイで配列されているような本発明による別の実施形態の部分上面図である。
【図１２】図１１の別の実施形態の側面図である。
【図１３】多様な突出部形状および構成について接触線密度の式を挙げた表である。
【図１４】本発明による別の実施形態の側面図である。
【図１５】図１４の別の実施形態の上面図である。
【図１６】本発明による別の実施形態の単一の突出部の上面図である。
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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