サルビニア効果

Salvinia_effect
サンショウモ効果が水没階層構造化表面上に空気層の永久的な安定化を記載しています。生物学的モデル（例えば、浮遊シダSalvinia、マツモムシNotonecta）に基づいて、生体模倣サルビニア表面が抗力低減コーティングとして使用されます（最初のプロトタイプで最大30％の低減が以前に測定されました。 船体に塗布すると、コーティングによってボートが空気層に浮くようになります。エネルギー消費と排出量を削減します。このような表面は、水中で空気を閉じ込めるために、非常に撥水性の超疎水性表面とミリメートル範囲の弾性毛深い構造を必要とします。サルビニア効果は生物学者で植物学者のヴィルヘルムバルトロット（ボン大学）と彼の同僚によって発見され、2002年からいくつかの動植物で調査されています。出版物と特許は2006年から2016年の間に公開されました。最高の生物学的モデルは高度に洗練された階層構造の毛深い表面を持つ浮遊シダ（サルビニア）とバックスイマー（例：ノトネクタ）毛（剛毛）と微絨毛（微絨毛）の複雑な二重構造を持っています。既知の10種のSalviniaのうち3種は、逆説的な化学的不均一性を示しています。超疎水性の植物表面に加えて、親水性の毛先が空気層をさらに安定させます。
さまざまな倍率のオオサンショウモ（S.molesta）。SEM写真d）では、撥水性のワックス結晶と、毛先にある4つの親水性ワックスフリーアンカーセルが見えます。

コンテンツ
1 サルビニア、ノトネクタ、その他の空気保持面を持つ生物
2 動作原理
3 生体模倣技術アプリケーション
4 アニメーション
5 も参照してください
6 参考文献
7 参考文献
8 外部リンク

サルビニア、ノトネクタ、その他の空気保持面を持つ生物
水に浸され、非常に撥水性（超疎水性）である構造化された表面は、構造物の間に空気を閉じ込め、この空気層は一定期間維持されます。水中の表面には、空気と水の界面での光の反射による銀色の輝きが見られます。
長期的な空気層は、物理的な鰓（プラストロン）を介して呼吸する水生節足動物でも発生します。たとえば、ミズグモ（Argyroneta）やソーサーバグ（Aphelocheirus）などです。空気層は、水中で動きの速い動物の摩擦を減らすのにも役立つと考えられます。バックスイマーのノトネクタの場合と同じように。
水中での長期の空気保持の最もよく知られている例は、サンショウモ属の浮遊シダです。地球のすべての温暖な地域のレンティックウォーターには、非常に多様なサイズの約10種が見られます。温帯気候で​​見られる、広く普及している1種（S. natans）は、中央ヨーロッパでも見られます。空気を保持する能力は、おそらくこれらの植物の生存技術です。浮葉の上面は撥水性が高く、非常に複雑で種特有の非常に特徴的な毛を持っています。いくつかの種は、0.3〜3 mmの長さの多細胞自立毛（例：S。cucullata）を示しますが、他の種では、2本の毛が先端で接続されています（例：S。oblongifolia）。S.minimaとS.natansには、1つのベースで接続された4本の自立した毛がオオサンショウモ（S. molsta）、S。auriculata、およびその他の密接に関連する種は、最も複雑な毛を示します。4本の毛が共有シャフト上で成長します。彼らは彼らの先端で接続されています。これらの構造は微視的なエッグビーターに似ているため、「エッグビーター毛状突起」と呼ばれます。毛髪を含む葉の表面全体がナノスケールのワックス結晶で覆われているため、表面の撥水性がしたがって、これらの葉の表面は「階層構造」の古典的な例です。
Salvinia molstaと密接に関連する種（S. auriculataなど）の卵を叩く毛は、さらに注目すべき特性を示しています。各髪の毛の先端にある4つのセル（アンカーセル）は、残りの髪の毛とは対照的に、ワックスを含まないため、親水性です。事実上、超疎水性の表面に囲まれた濡れやすい島。この化学的不均一性、サルビニアのパラドックスは、植物への空気と水の界面の固定を可能にし、空気層の圧力と長期安定性を高めます。
浮きシダの空気保持面は摩擦の減少につながりません。生態学的に非常に順応性のあるオオサンショウモ（S. molsta）は、地球のすべての熱帯および亜熱帯地域で最も重要な侵入植物の1つであり、経済的および生態学的問題の原因となっています。その成長率は、すべての維管束植物の中で最も高い可能性が熱帯および最適な条件下では、S.molestaは4日以内にバイオマスを2倍にすることができます。ここで説明するサルビニア効果は、おそらくその生態学的な成功に不可欠な役割を果たしています。多層の浮遊植物マットは、おそらく空気層内のガス交換の機能を維持しています。

動作原理

  水中でのマツモムシ（Notonecta glauca）：銀色の輝きは、翼の空気層と周囲の水との間の境界面で反射する光からのものです。
サルビニア効果は、疎水性の化学的性質の結果として、ナノおよびミクロの寸法の複雑な構造と組み合わせて、比較的厚い空気層を恒久的に維持できる表面を定義します。
この現象は、2002年から2007年にかけてボン大学のヴィルヘルムバルトロットと彼の同僚による水生動植物の体系的な研究中に発見されました。 5つの基準が定義されており、それらは安定した空気層の存在を可能にします。水と2009年の時点で、サルビニア効果を定義しています。（1）疎水性表面化学と（2）ナノスケール構造の組み合わせにより、超疎水性が生成されます。 （5）弾性特性。弾性は、動的静水圧条件での空気層の圧縮にとって重要であるように思われます。追加の最適化基準は、親水性チップの化学的不均一性です（Salvinia Paradox ）。これは、いくつかのレベルでの階層構造の代表的な例です。
植物や動物では、空気を保持するサルビニア効果の表面は常に0.5〜8 cmの長さの小さな区画に断片化され、境界は特定の微細構造による空気の損失に対して密閉されています。 エッジが密閉されたコンパートメントも、技術的なアプリケーションにとって重要です。
動作原理は、オオサンショウモについて説明されています。 S. molstaの葉は、水に沈めたときにその表面に空気層を長期間保持することができます。葉を水中で引っ張ると、葉の表面が銀色に輝きます。S.モルスタの際立った特徴は、長期的な安定性にほとんどの疎水性表面の空気層は水没後すぐに消えますが、S。molestaは数日から数週間空気を安定させることができます。そのため、期間は葉の寿命によって制限されます。

  親水性アンカーセル（「Salviniaparadox」）によって保持される水中空気層の安定化の概略図
高い安定性は、超疎水性（非常に撥水性）の表面と、構造の先端にある親水性（撥水性）のパッチとの、一見逆説的な組み合わせの結果です。
水中に沈めると、表面の疎水性のため、髪の毛の間の部屋に水が浸透することはありません。ただし、水は4つのワックスフリー（親水性）エンドセルによって各髪の毛の先端に固定されます。この固定により、水中の空気層が安定します。原理を図に示します。
2つの水中の空気保持面が概略的に示されています：左側：疎水性表面。右側：親水性の先端を持つ疎水性の表面。
場合は負圧が印加され、気泡が迅速にいくつかの構造上に延伸（左）純粋に疎水性表面上に形成されています。負圧が増加すると、気泡が成長し、表面から分離する可能性が気泡は表面に上昇し、空気層は完全に消えるまで減少します。
親水性のアンカーセルがある表面（右）の場合、水は上部の親水性パッチによってすべての構造の先端に固定されます。これらのリンケージにより、いくつかの構造に広がる気泡の形成が可能になります。最初にいくつかのリンクを切断する必要があるため、バブルの解放は抑制されます。これにより、気泡形成のためのより高いエネルギー入力が得られます。したがって、表面から分離して上向きに上昇できる気泡を形成するには、負圧を上げる必要が

生体模倣技術アプリケーション

  マツモムシ（Notonecta glauca）：水に面した翼の境界面は、長い毛（サテ）と微絨毛の絨毯で構成される階層構造を持っています。
水中の空気保持面は、技術的なアプリケーションにとって非常に興味深いものです。技術面への効果の伝達が成功した場合、船体をこの面でコーティングして、船と水の間の摩擦を減らし、燃料消費量、燃料コストを削減し、環境への悪影響（空気層による防汚効果）を減らすことができます。 ）。 2007年に、最初のテストボートはすでに10％の摩擦低減を達成し、その後、この原理は特許を取得しました。現在、科学者は摩擦が30％以上減少すると想定しています。
基礎となる原理を図に模式的に示します。ここでは、固体表面上の水中の層流と空気保持表面上を流れる水の2つの流れプロファイルを比較します。
水が滑らかな固体表面上を流れる場合、水と表面分子の間の摩擦により、表面での速度はゼロになります。空気層が固体表面と水との間にある場合、速度はゼロより高くなります。空気の粘度が低い（水の粘度の55分の1）と、摩擦力の伝達が同じ係数で減少します。

  固体表面と空気保持表面に沿った水の流体力学を比較する概略図：固体表面で直接、水分子と表面の摩擦のために水の速度はゼロです（左）。空気保持面（右）の場合、空気層がスリップ剤として機能します。空気の粘度が低いため、水は空気と水の界面を移動できます。これは、抗力が減少し、速度がゼロよりも大きくなることを意味します。
研究者たちは現在、船の摩擦を減らすために、S。molesta をモデルにした生体模倣の恒久的な空気保持面の開発に取り組んでいます。Salvinia-Effect表面は、油を迅速かつ効率的に吸着することが証明されており、油水分離アプリケーションに使用できます。

アニメーション

メディアを再生する
生体模倣装置BOA（Bionic Oil Adsorber）は、純粋に物理的に油膜を水面から自動的に分離します。これは、ボン大学で2018年にサルビナ効果とロータス効果に関する研究から開発されました。油膜（赤）は生体模倣繊維（緑）に吸着され、その後の除去のためにフローティングボウル（灰色）に集められます。Barthlott etal。の詳細情報。フィルトランスで。ロイ。Soc。A.
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 – 2020©W. Barthlott、M. Moosmann＆M.メール

メディアを再生する
油水分離のためのサルビニア効果：サルビニアモルスタの空気トラップ超疎水性葉への原油液滴の高速かつ表面的な吸着と輸送
。Barthlott etal。の詳細情報。フィルトランスで。ロイ。Soc。A.
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 – 2020©W. Barthlott＆M.メール

も参照してください
ロータス効果
花びらの効果

参考文献
^ Barthlott、W.、Mail、M。、＆C。Neinhuis、（2016）生物学における超疎水性の階層構造化表面：進化、構造原理、および生体模倣アプリケーション。フィル。トランス。R.Soc。A 374.2073 DOI：10.1098 / rsta.2016.0191
^ Barthlott、W.、Mail、M.、Bhushan、B。、およびK.Koch。（2017）。植物表面：生体模倣イノベーションのための構造と機能。Nano-Micro Letters、 9（23）、 doi：10.1007 / s40820-016-0125-1。
^ Barthlott、W.、Wiersch、S.、Čolić、Z。、＆K。Koch、（2009）水シダサルビニアの種内の毛状突起タイプの分類、および卵を叩く毛状突起の個体発生。植物学。87（9）。pp 830–836、DOI：10.1139 / B09-048。
^ Barthlott、W.、Schimmel、T.、Wiersch、S.、Koch、K.、Brede、M.、Barczewski、M.、Walheim、S.、Weis、A.、Kaltenmaier、A。 、Leder、A。、＆H。Bohn、（2010）。Salvinia Paradox：水中で空気を保持するための親水性ピンを備えた超疎水性表面。先端材料。22（21）。pp 2325–2328、DOI：10.1002 /adma.200904411。
^ Ditsche-Kuru、P.、Schneider、ES、Melskotte、J.-E.、Brede、M.、Leder、A。、＆W。Barthlott、（2011）水虫の超疎水性表面マツモムシ：摩擦低減と空気保持のモデル。Beilstein Journal ofNanotechnology。2（1）。pp 137–144、DOI：10.3762 /bjnano.2.17。
^ Amabili、M.、Giacomello、A.、Meloni、S。、＆CM Casciola、（2015）サルビニアパラドックスの解明：水中超疎水性の設計原理。高度なマテリアルインターフェイス。2（14）。DOI：10.1002 /admi.201500248。
^ http://www.environment.gov.au/biodiversity/filtration/weeds/publications/guidelines/wons/pubs/s-molesta.pdf
^ Konrad、W.、Apeltauer、C.、Frauendiener、J.、Barthlott、W。、＆A。Roth-Nebelsick、（2009）微分幾何学の手法を適用して、水に浸した物体に付着する安定した永続的な空気層を考案します。Journal of Bionic Engineering 6（4）、pp 350–356、DOI：10.1016 / S1672-6529（08）60133-X
^ BMBF-Projekt PTJ-BIO / 311965A：「SuperhydrophobeGrenzflächen–einmöglichesPotenzialfürhydrodynamischetechnische Innovationen」、ボン2002–2007。
^ Solga、A.、Cerman、Z.、Striffler、BF、Spaeth、M。＆W。Barthlott。（2007）清潔を保つという夢：蓮と生体模倣の表面。バイオインスパイア。Biomim。4（2）、126〜134ページ。DOI：10.1088 / 1748-3182 / 2/4 / S02
^ Mail、M.、Böhnlein、B.、Mayser、M。＆W。Barthlott。（2014）Bionische Reibungsreduktion：EineLufthüllehilftSchiffenTreibstoff zu span In：AB Kesel、D。Zehren（ed。）： Bionik：Patente aus der Natur – 7. Bremer Bionik Kongress、Bremen pp 126 – 134. ISBN  978-3- 00-048202-1。
^ Koch、K.、Bohn、HF＆W。Barthlott。（2009）階層的に彫刻された植物表面と超疎水性。ラングミュア。25（24）、pp 14116–14120.DOI：10.1021 / la9017322。
^ Ditsche、P.、Gorb、E.、Mayser、M.、Gorb、S.、Schimmel、T。＆W。Barthlott。（2015）空気を保持するサルビニア表面のヘアカバーの弾力性。応用物理A。DOI：10.1007 / s00339-015-9439-y。
^ Balmert、A.、Bohn、HF、Ditsche-Kuru、P。＆W。Barthlott。（2011）水中での乾燥：空気を保持する昆虫の表面の形態と機能の比較。形態学ジャーナル。272（4）、pp 442–451、DOI：10.1002 /jmor.10921。
^ Klein、S。（2012）。Effizienzsteigerung in derFrachtschifffahrtunterökonomischenundökologischenAspektenamBeispielder Reederei HapagLloyd。ProjektarbeitGepr。Betriebswirt（IHK）、 AkademiefürWelthandel。
^ 特許WO2007099141A2：非湿潤性表面。2007年9月7日に公開、発明者：Barthlott、W.、Striffler、B.、Schrrieble、A.、Stegmaier、T.、Striffler、B.、von Arnim、V。
^ Melskotte、J.-E.、Brede、M.、Wolter、A.、Barthlott、W。＆A。Leder。（2013）Schleppversucheankünstlichen、LufthaltendenOberflächenzurReibungsreduktionamSchiff。In：CJKähler、R。Hain、C。Cierpka、B。Ruck、A。Leder、D。Dopheide（ed。）： LasermethodeninderStrömungsmesstechnik。ミュンヘン、ベイトラッグ53。
^ Tricinci、O.、Terencio、T.、Mazzolai、B.、Pugno、N.、Greco、F。＆V。Matolli。（2015）。直接レーザーリソグラフィーを介してサルビニアモルスタに触発された3Dマイクロパターン表面。ACS Applied Materials＆Interfaces 7（46）：25560-25567 DOI：10.1021 / acsami.5b07722
^ Zeiger、C.、da Silva、ICR、Mail、M.、Kavalenka、MN、Barthlott、W。、＆H.Hölscher。（2016）。超疎水性植物の葉の微細構造-効率的な油流出浄化材料のインスピレーション。Bioinspiration＆Biomimetics、 11（5）、DOI：10.1088 / 1748-3190 / 11/5/056003

参考文献
バルトロット、ヴィルヘルム; シンメル、トーマス; Wiersch、Sabine; コッホ、カースティン; ブレーデ、マーティン; Barczewski、Matthias; ウォルハイム、ステファン; ワイス、アーロン; Kaltenmaier、Anke; レダー、アルフレッド; Bohn、Holger F.（2010）、「サルビニアパラドックス：水中での空気保持のための親水性ピンを備えた超疎水性表面」、Advanced Materials（ドイツ語）、22（21）、pp。2325–2328、doi：10.1002 / adma。 200904411、PMID  20432410
P. Ditsche-Kuru、MJ Mayser、ES Schneider、HF Bohn、K。Koch、J.-E。Melskotte、M。Brede、A。Leder M. Barczewski、A。Weis、A。Kaltenmaier、S。Walheim、Th。Schimmel、W。Barthlott：EineLufthüllefürSchiffe–KönnenSchwimmfarnundRückenschwimmerhelfenSprit zu span？In：AB Kesel、D。Zehren（ed。）：Bionik：Patente aus der Natur-5。Bremer Bionik Kongress AB Kesel＆D。Zehren ブレーメン2011、Seiten 159–165。
「SalviniaEffect」、Biomimetics：Bioinspired Hierarchical-structured Surfaces for Green Science and Technology（in German）、Berlin / New York：Springer、pp。179–186、2012、ISBN 978-3-642-25407-9
コンラッド、ウィルフリード; アペルタウアー、クリスチャン; Frauendiener、Jörg; バルトロット、ヴィルヘルム; Roth-Nebelsick、Anita（2009）、「微分幾何学からの方法を適用して、水に浸された物体に付着する安定した永続的な空気層を考案する」、Journal of Bionic Engineering（ドイツ語）、4（6）、pp。350–356、土井：10.1016 / S1672-6529（08）60133-X、S2CID  53338503
S.クライン：Effizienzsteigerung in derFrachtschifffahrtunterökonomischenundökologischenAspektenamBeispielder Reederei Hapag Lloyd、ProjektarbeitGepr。Betriebswirt（IHK）、AkademiefürWelthandel、2012年。
W. Baumgarten、B.Böhnlein、A。Wolter、M。Brede、W。Barthlott、A。Leder：EinflussderStrömungsgeschwindigkeitaufdieStabilitätvonLuft-WasserGrenzflächenabiomimetischen、LufthaltendenBeschichtungen。In：B。Ruck、C。Gromke、K。Klausmann、A。Leder、D。Dopheide（Hrsg。）：LasermethodeninderStrömungsmesstechnik。22. Fachtagung、9.–11。2014年9月、カールスルーエ; （Tagungsband）。カールスルーエ、Dt。ゲス。fürLaser –
AnemometrieGALAeV、ISBN 978-3-9816764-0-2、S。36.1–36.5（オンライン）。 
M. Rauhe：Salvinia-Effekt Gute Luft unterWasser 。で：LOOKIT。番号 2010年4月、S。26–28。

外部リンク
www.lotus-salvinia.de
ビデオ：DasGeheimnisdesSüdamerikanischenSchwimmfarns
ビデオ：Lufthaltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion”