可自行修复划痕的新型生物涂层材料

可自行修复划痕的新型生物涂层材料

2019/03/31

可自行修复划痕的新型生物涂层材料利用凝胶材料同时实现超强拒水/亲水性和自修复能力

事物的表面拒水性、拒油性、防污性、防雾性添加功能，例如表面处理技术用于各个领域。为了延长这些涂层的效果，AIST 开发了模仿生物的自愈材料涂层材料由于其具有类似生物的自愈伤口能力。显着提高耐用性预计。

关注蛞蝓的体表，即使在土壤上也不会弄脏

　水滴更容易从雨伞上掉下来，车窗的防水性能更好，浴室的镜子也比以前少了雾气。我们通常不会关注这些改进，因为它们并没有从根本上改变我们的生活，但我们的生活正在变得更加方便和舒适，即使是像这样的小细节。所有这些例子都归功于表面处理技术的进步。

　表面处理技术是通过用不同材料涂覆物体表面或进行改变表面结构等处理来增加新功能的技术。这项技术可以满足“我希望它不要起雾”和“我希望它不要弄脏”等有关表面的各种需求，已经广泛应用于我们的日常生活中。

　然而，如果涂层材料剥落或具有该功能的成分消失，则该功能将丧失。因此，需要一种尽可能长时间保持其功能和效果的涂层材料。''

　材料表面与界面研究组的 Chihiro Urata 如此说道。浦田致力于开发一种不仅具有持久效果，而且即使剥落或损坏也能自我修复的涂层材料。他相信，如果能够制造出一种能够自我修复的涂层材料，就像生物通过新陈代谢治愈自己的伤口一样，耐用性将得到显着提高。

　这个想法受到仿生学的启发，仿生学是一种创造模仿生物体卓越功能的人造物体的技术。模仿丝线的尼龙的发明就是一个例子，并且有许多技术已应用于日常生活，例如受粘在衣服上的野生牛蒡浆果启发而设计的钩环紧固件，以及受猫头鹰翅膀结构启发的500系列新干线受电弓。

　在表面处理技术领域，美国于2011年开发出模仿食肉植物猪笼草的昆虫诱捕机制的防液涂层材料。这种涂层材料具有海绵状结构，浸有非粘附性液体，用于抑制目标物质的粘附。然而，尽管它表现出传统涂料所没有的优异拒液性，但如果涂层表面上难以粘附的液体层消失，其功能就会丧失。因此，浦田寻找即使在受到损害后也能保持液体状态的生物体，并把重点放在了蛞蝓上。

世界上第一种兼具自愈性和超强防水性的功能材料

　尽管蛞蝓生活在潮湿的土壤上，但它们并没有受到泥土或垃圾的污染。我想模仿这个功能。”（Urata）

　蛞蝓有一种机制，可以利用其表面的粘液和移动时的动作来清除污垢。就像鼻涕虫排出的粘液一样，如果物体表面不断释放出不必要的物质和难以相处的成分，那不是可以保持表面的清洁吗？浦田这么想。然而，即使称之为仿制，在现阶段也很难在制造人造细胞的水平上进行复制，尽管将来可能有可能。

　我想到的是利用脱水收缩现象（液体与凝胶状材料的分离），其中液体从凝胶表面渗出。日常生活中，可以从酸奶表面出现乳清的现象中看出。

浦田首先开发了这种凝胶。在开发过程中，着眼于产业化，我们有意识地使用易于获得和制造的材料，并使用市售的有机硅树脂。将其与作为防水成分的硅油混合制成有机凝胶（油性凝胶）并涂抹到物体表面时，油会如预期地从表面渗出，从而使水性污渍难以附着。浦田将其命名为“SLUG（自润滑凝胶）”，源自英文名称“slug”的意思。

　该方法的优点是，通过改变液体的成分，可以应用于多种应用，例如使液体亲水以形成油难以粘附的表面，以及使液体疏水以形成水难以粘附的表面。当我们介绍我们的技术时，我们发现需要减少光伏板表面的冰雪堆积，并避免水下设备上藤壶的堆积，因此我们决定首先开发一种抑制水性物质粘附的功能性材料。”（浦田）

　接下来，我们通过温度控制脱水现象，并引入了一种机制，可以在需要时释放油，在不需要时返回油。例如，太阳能发电板的防冰材料经过调整，在0摄氏度以上的温度下不会渗油，使其持久耐用。

现在是时候开发自我修复功能了。以高拒水性（以下简称超拒水性）着称的荷叶表面具有微米/纳米尺度的凹凸结构。我们尝试使用涂层材料来重现这一点。

　我们将在表面产生不规则形状的分子嵌入到有机凝胶中，这样当凝胶受损时，这些分子就会浮到表面。薄膜表面的分子与大气中的水发生反应，从而产生划痕。它会修复并自动重新形成超疏水表面。由于分子均匀地包含在凝胶中，因此无论材料被切割到何处，断裂表面都会出现超疏水功能，并且可以长时间保持超疏水效果。

　这是世界上第一个同时具有宏观自修复性能和超强防水性能的功能材料。

仿照鱼体表面制造出具有高亲水、防污、抗菌性能的材料

　AIST还正在开发水凝胶（水基凝胶），用于水下和高湿度环境下使用的涂层材料。负责该项目的佐藤智也（Tomoya Sato）重点研究了鱼体表的多功能性。 “鱼体表面的粘液能够与水很好地融合，稳定地形成一层薄薄的水膜。由于它们是活的生物体，它们可以通过新陈代谢自我修复水膜，我们也知道它们具有很高的防污和抗菌性能，”他说。

　事实上，例如，如果你尝试在水下的青鳉鱼上涂油，根本不会有油粘在上面。我们认为，如果涂层材料具有与鱼体表面相似的成分，则有可能表现出上述多功能性。

　由于我们正在为工业创造技术，因此我们需要通过考虑功能性、易于使用的材料、工艺、环境影响等来创造可用于工业的产品，而不是试图通过忽略采购成本的精心挑选的材料来达到世界最高的数字。对于这种水凝胶，我们还意识到它很容易获得材料、制造和涂料。''

　佐藤使用现成的材料和简单的工艺，将与水相容的聚合物和人造纳米粘土（人造粘土矿物）混合在水中并加热。因此，我们能够创造出一种能够很好地吸水并在其表面形成稳定的水膜的功能材料。

　涂有这种涂层材料的玻璃即使在高湿度环境下也不易结露，并且具有很高的防雾效果。此外，我们已经证实它具有自我修复功能，可以自行闭合划痕，以及高耐污性和抗菌性能。几乎没有任何功能材料具有如此防雾和自我修复性能。''

　第一个原型需要约24小时才能自行修复，但通过改变薄膜厚度和成分，时间已缩短至约5分钟。这种功能性材料具有抑制起雾、保持透明度、划痕自我修复等功能，可应用于汽车前灯、便利店大型冰箱的玻璃门等。它还具有很高的抗菌性能，因此可用作浴室和盥洗室镜子的涂层材料。我们目前正处于向企业提供样品并探索其实际应用的阶段。

旨在提高易用性

目前，SLUG 正在与参与大型太阳能发电厂的公司进行示范实验，旨在将产品推向市场。如果冰雪粘附在太阳能电池板上，它们将无法发电，但如果雪自动脱落，它们不仅能够发电更多，而且还可以防止它们因雪的重量而倒塌，因此期望很高。浦田表示：“我们不仅希望在材料工程领域进行商业化研究，还希望与其他领域的研究人员进行联合研究。”

此外，SLUG 中也出现了新的发展。这是开发具有低反射功能的SLUG，其表面形成模仿蛾眼的无反射/低反射结构（蛾眼结构）。除了用于窗户和博物馆展示柜时提高可视性外，实验表明，用于太阳能电池板时，可以抑制光反射并提高发电效率。

　未来，我们计划进一步提高抑制SLUG沉积物的效果，并使其更薄。 “实际应用之所以成为可能，不仅是因为我们的成果，更是因为企业的热情和努力。为了前进，我们和企业的研究人员需要沟通、相互理解、建立良好的关系。我们愿意与企业和企业一起，在共同努力的同时，将我们的产品商业化。”（浦田）

　至于水凝胶，我们将进一步缩短其自愈时间，同时也使其更便宜、更易于使用。 “如果您想评估样品，请随时与我们联系。我们会立即回复。” （佐藤）

　高性能涂层材料，可用于各种您不想弄脏的物品。它可以根据使用位置和污垢类型配备多种功能，从而可以在任何位置创建更方便、更舒适的表面。 AIST将继续开发社会所需的表面处理技术，为社会做出贡献。