【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT0224
利用課題名 / Title
濡れ性複合単分子膜の表面分析
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）その他/Others（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
Self-assembled monoyaer, Wettability, Contact angle hysteresis,エリプソメトリ/ Ellipsometry
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
李 禮林
所属名 / Affiliation
東京大学大学院工学系研究科 機械工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
LI Yuanzhe
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
固体表面における液滴の動的濡れ性は歴史的に印刷、塗装、コーティング分野など様々な産業分野で応用されており、熱交換器を代表例として液滴を表面から効率的に除去させたいニーズも多くの応用技術分野で高まってきている。固体表面で液滴が移動する実現象には必ず接触角ヒステリシスが存在し、固-液界面でその抵抗の大きさ分液滴の界面移動開始が妨げられる要因となる。接触角ヒステリシスは固体表面上に移動する液滴において、移動方向を基準に前進側の接触角と後退側の接触角の差で定量的に表すことができる。その抵抗を極限に減らす、または制御するため、必然的に存在する表面の化学的異質性、物理的粗さを考慮したヒステリシスの物理を理解するため多くの研究が行われてきたが、実世界の固体表面はナノスケールの粗さ、様々な結晶方位や欠陥、変形性、静電性、空気中からの水分や炭化水素の吸着などヒステリシスを誘発しうる要因が多岐に渡ることからその物理は非常に複雑である。本研究では表面分子の化学的特性に由来する濡れ性と、表面分子密度に由来する分子膜の厚み変化に着目しながら表面を作成し、分子の運動性が接触角ヒステリシスに与える影響を理解する。
実験 / Experimental
20 mm角のシリコンチップを超音波洗浄により水、アセトン、エタノールの順で各5分間洗浄し、オーゾンプラズマにより15分間表面改質を行う。その直後、小型真空ガラスチャンバーに洗浄済みの基板とトリエトキシ(1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-1-オクチル)シラン溶液2 μlを配置する。ここで基板と溶液はシャーレ上の離れた場所に置く。次にガラスチャンバーを密閉し低真空状態にする。真空引きすることでフッ化シラン分子は蒸発し基板表面に多く存在する酸素原子との結合反応が進む。真空引き時間による結合反応の量が変化し、真空引きから0.1分、2分、10分、20分のシランカップリング反応を独立的に行い、シラン化後の基板はオーブンで加熱、そして最後にエタノールで超音波洗浄を行い完全に結合しているフッ化シラン分子以外は洗い流す。それぞれの表面において水の接触角とヒステリシス、また分光エリプソメーター（M-2000DI-T）により分子膜の平均的厚さを評価する。
結果と考察 / Results and Discussion
図1はフッ化シラン分子の気相シラン化時間違いによる表面の水接触角と拡張収縮法による接触角ヒステリシス（縦軸左側）、また平均膜厚計測結果（縦軸右側）を示す。θadvとθrecはそれぞれ前進と後退接触角、θsは静的接触角を現す。表面改質後のシリコン基板は完全濡れの状態になるが、図から分かるようにフッ化シラン分子は非常に短時間で表面に反応し結合を形成することが分かる。時間と共に静的接触角は増加していき、20分頃にはほぼ飽和状態となる。飽和状態は気相と液相により12時間以上シラン化を行った表面の濡れ性を基準としており、同水準の濡れ性を示せば飽和と見なす。ここで注目すべきところは、表面の分子密度が増えるにつれ接触角ヒステリシスが増加していくことである。特にθs-θrecの増加が顕著現れ、液滴の後退抵抗のほうが前進に比べ増える。このような挙動はフッ化シランの運動性と関わっていることが予想され、表面に分子密度が低い場合は隣合う分子による拘束が相対的に弱く、水との界面で分子のモビリティが相対的に高い状態であることが示唆される。表面の不均質性はヒステリシスを増やす要因であるとのこれまでの理論から考えると、分子密度が低いほうが高い不均質性表面になる（シリコン基板は超親水状態となり、フッ化分子は疎水である）ためヒステリシスが高くなることが予想されるが、今回の結果は表面の化学的異質性よりも分子の運動性が支配的にヒステリシスに働く可能性を示した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 シリコン基板上(1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-1-オクチル)シラン分子の気相シラン化時間とシラン化表面の水の静的・動的接触角、シラン化膜の平均膜厚計測結果
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件