Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

もし、決して崩れることのない、スポンジのような微細な構造を構築できる世界があったとしたら。それは、油と水のように混ざり合わない2種類の液体で満たされ、微粒子というミクロの軍隊によって繋ぎ止められています。これは、コロイド科学と呼ばれる物理学の一分野であり、微粒子が流体の中でどのように振る舞うかを研究する領域です。この世界では、科学者たちは「双連続材料（bicontinuous materials）」を作ることに夢中になっています。これらは単なる穴の空いたスポンジではなく、2種類の異なる液体が、まるで二重螺旋の高速道路システムのように、連続したチャネルを通じて並走して流れる、複雑に絡み合った迷路のようなものです。これらの構造は物質を移動させる効率が非常に高く、汚染物質の浄化、電池へのエネルギー貯蔵、さらには新しい生体組織の成長を助けるといった用途に最適です。

これらの迷路を構築するために、科学者たちは「STrIPS（溶媒転移誘起相分離）」と呼ばれる巧妙なトリックを使用します。油、水、そしてその両方を好む特別な溶媒の混合物があると想像してください。その溶媒をゆっくりと取り除いていくと、油と水は分離せざるを得なくなります。しかし、それらは単に大きな塊を作るのではなく、混沌とした美しいダンスを繰り広げ、永久に絡み合ったネットワークを作り上げます。このネットワークが崩壊するのを防ぐために、科学者たちはナノ粒子を加えます。これは、油と水の境界に自らを詰め込み、形を維持するための保護装甲として機能する微細な粒です。

しかし、ここに落とし穴があります。これらの構造を固体表面（ガラススライドなど）の上に薄い膜として作ろうとすると、その表面自体が「お節介な審判」のように振る舞い始めるのです。表面はただそこに座っているだけではありません。ガラスのすぐ近くで、油と水の振る舞いに影響を与えます。科学者がずっと問い続けてきた大きな疑問は、「表面はどれくらい油と水を気にするのか、そしてそれが最終的な迷路の形をどのように変えるのか？」ということです。この理解は、もしこれらの膜を実世界のデバイスとして使用したいのであれば、それらがどのように接地し、接地面でどのような姿をしているのかを正確に知る必要があるため、極めて重要です。

本研究において、ジェシー・スティーンホフとマーティン・ハーゼは、これら微細な迷路の探偵役を務めることに決めました。彼らは、水に非常に親和性が高い（親水性）、あるいは水を嫌う（疎水性）ように調整されたガラススライドの上に、これらの「ビジェル（bijel：双連続界面ジャミング乳濁液ゲル）」膜を構築したときに何が起こるのかを知りたいと考えました。

まず、彼らは自分たちの「お節介な審判」を作る必要がありました。彼らは普通のガラススライドを取り、n-OTMSと呼ばれる化学物質で処理しました。この化学物質を、小さな脂質の尾を持つ鎧のコートだと考えてください。ガラスをこの化学物質の浴槽に浸す時間を変えることで、ガラスがどれほど「脂っこい（疎水性）」かを制御することができました。短い浸漬ではガラスは大部分が水に親和的であり、長い浸漬ではガラスは次第に水を嫌うようになります。彼らは、処理されていないガラスの上では水滴が平らに広がりましたが、処理されたガラスの上では水が玉状になったことから、表面が変化したことを確認し、自分たちの作業を検証しました。

次に、彼らはビジェル膜を作りました。彼らは、油、水、およびシリカナノ粒子（幅約22ナノメートル）を含む前駆体混合物に、これらの特別に準備されたガラススライドを浸しました。溶媒が蒸発するにつれ、油と水が分離し、ナノ粒子が界面にジャミングして構造を凍結させました。何が起きているのかを見るために、彼らは共焦点顕微鏡と呼ばれる超強力な顕微鏡を使用しました。これは単なる普通のカメラではありませんでした。膜の内部の3D画像を作成でき、層ごとにスライスすることで、油（マゼンタ色）、水（黒）、およびナノ粒子（緑）を見ることができるのです。

彼らが発見したのは、表面の影響力に関する魅力的な物語でした。最も水に親和性が高い（未処理の）ガラスを使用したとき、膜はガラスに対して完璧に滑らかで平坦な水の層を形成しました。それは、岸辺に寄り添う穏やかな、層流の川のようでした。しかし、ガラスをより水を嫌うものにするにつれて、物語は変わりました。滑らかな水の層は消え去りました。代わりに、表面はパッチワークのキルトのようになりました。水に富んだ領域は小さな島へと縮小し、油に富んだ領域が支配的になり始め、凹凸のある混ざり合った表面層を作り出しました。

研究者たちはまた、「装甲」（ナノ粒子）についても気づきました。混合物中のナノ粒子を多く使用すると、表面層を含む構造全体が薄くなりました。まるでナノ粒子があまりに密集して、層を押しつぶしてしまったかのようです。これは、表面の効果を明確に観察するためには、層が薄くなりすぎないよう、より少ない量のナノ粒子を使用する必要があったことを意味しています。

観察結果が単なる偶然ではないことを確認するために、彼らはコンピュータ・シミュレーションを行いました。彼らは、表面の「脂っこさ」を調整しながら液体が分離する様子を観察できる仮想世界を作成しました。コンピュータは顕微鏡の結果と一致しました。非常に水に親和的な表面では滑らかな水の層ができ、非常に水を嫌う表面では滑らかな油の層ができるのです。しかし、現実世界の実験にはひねりがありました。コンピュータは、超疎水的な表面は完璧で滑らかな油の層を作るはずだと予測しましたが、実際の膜は完全にはそうなりませんでした。完璧なシート状になる代わりに、油は斑点状の不均一な層を形成していました。著者らは、もし油の層が完璧で連続したものになりすぎると、膜全体がガラスから剥がれ落ちて周囲の油浴の中に浮いてしまう可能性があるためではないかと示唆しています。

では、教訓は何でしょうか？この論文は、これらの膜を構築する対象となる表面は、強力なディレクターであることを示唆しています。表面は単に膜を保持するだけでなく、最初の迷路の層そのものを能動的に形作ります。水に富んだスタートを望むなら、水に親和的な表面を使いなさい。油に富んだスタートを望むなら、水を嫌う表面を使いなさい。しかし、それは繊細なバランスです。表面を極端にしすぎると、膜はそのグリップを失ってしまうかもしれません。この洞察は、フィルターや医療用スキャフォールド（足場）などのためにこれらの材料をより良く設計する方法を理解する助けとなり、底辺から正しく密着し、適切な構造を持つようにすることを保証してくれるのです。