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JP4246656B2 - Reversible control method of wettability of object surface - Google Patents
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Description

本発明は、物体表面のぬれ性(親水性・疎水性)を大きくかつ可逆的に変化させる方法に関する。   The present invention relates to a method for greatly and reversibly changing the wettability (hydrophilicity / hydrophobicity) of an object surface.

物質は、通常、親水性(疎油性)又は疎水性(親油性)を示し、その性質が自然に変化することはない。しかし、物質(物体)の表面に有機膜をコーティングする等により、物体表面のぬれ性を変化させることは可能である。近年は、物体表面のぬれ性を可逆的に変化させる方法も提案されている。   Substances usually show hydrophilicity (oleophobic) or hydrophobicity (lipophilicity) and their properties do not change naturally. However, it is possible to change the wettability of the object surface by coating the surface of the substance (object) with an organic film. In recent years, a method for reversibly changing the wettability of an object surface has also been proposed.

物体表面のぬれ性を可逆的に変化させる方法の一つとして、物体表面への有機分子の吸脱着を利用する方法がある。この方法では、物体に電圧を印加することにより、物体表面に有機分子を吸着させたり脱着させたりして、物体表面のぬれ性を変化させる(非特許文献1)。   One of the methods for reversibly changing the wettability of the object surface is a method using adsorption / desorption of organic molecules to the object surface. In this method, by applying a voltage to an object, organic molecules are adsorbed or desorbed on the object surface, thereby changing the wettability of the object surface (Non-Patent Document 1).

別の方法として、物体表面に結合させた、親水性部分と疎水性部分とから成る有機分子の形状変化を利用する方法がある。この方法では、有機分子を低密度で略垂直に配向させ、物体表面の電荷を変化させることにより、分子形状を可逆的に変化させて、親水性部分又は疎水性部分が物体表面に現れるようにしてぬれ性を変化させる。(非特許文献2)。   As another method, there is a method using a shape change of an organic molecule composed of a hydrophilic portion and a hydrophobic portion bonded to an object surface. In this method, organic molecules are oriented at a low density and approximately perpendicularly, and the charge on the object surface is changed to reversibly change the molecular shape so that a hydrophilic or hydrophobic part appears on the object surface. Change wettability. (Non-patent document 2).

また、導電性高分子膜に、膜厚に応じた所定量のイオンをドーピングすることにより膜を親水性に変化させ、脱ドープすることにより、膜を疎水性に変化させる方法がある(非特許文献3)。この方法においては、物体に流す電流を制御することにより、イオンのドーピング量を変化させる。   In addition, there is a method in which a conductive polymer film is made hydrophilic by doping a predetermined amount of ions according to the film thickness, and the film is made hydrophobic by dedoping (non-patent document). Reference 3). In this method, the amount of ions doped is changed by controlling the current flowing through the object.

更に、フルオロポリマー層を設けた電極とポリマーに接触した液との間に印加される電圧を変化させることにより、水等の接触角を変化させる方法がある(非特許文献4,5,6)。   Furthermore, there is a method of changing the contact angle of water or the like by changing the voltage applied between the electrode provided with the fluoropolymer layer and the liquid in contact with the polymer (Non-Patent Documents 4, 5, and 6). .

更に別の方法として、ある波長で光照射を行うと二量化し、別の波長で光照射を行うと単量化する有機分子を用いて、光照射により物体表面のぬれ性を可逆的に変化させる方法がある(非特許文献7)。   As another method, the wettability of the object surface is reversibly changed by light irradiation using organic molecules that dimerize when irradiated with light at a certain wavelength and become monomerized when irradiated with light at another wavelength. There is a method (Non-Patent Document 7).

物体表面のぬれ性を可逆的に変化させることができれば、例えば、基板のぬれ性を変化させることにより、基板上に載置されたインクの動きを制御して画面に表示させる画像を変化させたり、分析機器の液輸送管壁のぬれ性を変化させることにより液流量を調節したりすることが可能である(非特許文献4、非特許文献6)。   If the wettability of the object surface can be reversibly changed, for example, by changing the wettability of the substrate, the image displayed on the screen can be changed by controlling the movement of the ink placed on the substrate. It is possible to adjust the liquid flow rate by changing the wettability of the liquid transport tube wall of the analytical instrument (Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 6).

ニコラス・エル・アボット(Nicholas L. Abbott)等、「ラングミュア(Langmuir)」,(米国), 1995年, 11巻, pp.16-18Nicholas L. Abbott et al., “Langmuir”, (USA), 1995, 11, pp.16-18 ジョエル・ラハン(Joerg Lahann)等、「サイエンス(Science)」,(米国), 2003年, 299巻, pp.371-374Joerg Lahann et al., "Science" (USA), 2003, 299, pp.371-374 エム・ニーミッツ(M. Niemitz)等、「ディー・アンゲバンテ・マクロモレクラーレ・ケミー(Die Angewandte Makromolekulare Chemie)」,(ドイツ), 1991年, 185巻, pp.147-154M. Niemitz et al., “Die Angewandte Makromolekulare Chemie” (Germany), 1991, 185, pp.147-154 アンソニー・クィン(Anthony Quinn)等、「サイエンス(Science)」,(米国), 2003年, 107巻, pp.1163-1169Anthony Quinn et al., "Science", (USA), 2003, 107, pp.1163-1169 エム・ダブリュー・ジェイ・プリンズ(M. W. J. Prins)等、「ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー・ビー(Journal of Physical Chemistry B)」,(米国), 2001年, 291巻, pp.277-280M. W. J. Prins et al., “Journal of Physical Chemistry B” (USA), 2001, 291, pp.277-280 ロバート・エイ・ハイエス(Robert A. Hayes)等、「ネイチャー(Nature)」,(英国), 2003年, 425巻, pp.383-385Robert A. Hayes et al., "Nature" (UK), 2003, 425, pp.383-385 スコット・アボット(Scott Abbott)等、「ラングミュア(Langmuir)」,(米国), 1999年, 15巻, pp.8923-8928Scott Abbott et al., “Langmuir” (USA), 1999, 15, pp. 8923-8928

非特許文献1の方法では、吸脱着プロセス中に、拡散によって一部の分子が失われるという問題がある。
非特許文献2の方法は、ぬれ性の変化の度合いが小さく、疎水性と親水性というように、大きなぬれ性の変化が要求される目的には、使用することができない。また、有機分子が低密度で物体表面に配向しているため、有機分子間の相互作用が弱く、膜が不安定であるという問題もある。
非特許文献3の方法では、ぬれ性が変化する量のイオンを物体にドープするために、物体に対して0.1mC/cm2という大きな電流を流す必要があるため、容易に実施することができない。
また、非特許文献4〜6の方法では、十〜数百Vという高電圧を印加するか又は微小電極中に液滴を閉じ込める必要があるため、容易に実施することができない。
非特許文献7の方法では、分子が完全に構造変化するのに数分以上の時間を要する。また、構造変化の前後におけるぬれ性の変化が小さいため、大きなぬれ性の変化が要求される目的には、使用することができない。
In the method of Non-Patent Document 1, there is a problem that some molecules are lost by diffusion during the adsorption / desorption process.
The method of Non-Patent Document 2 cannot be used for the purpose of requiring a large change in wettability such as hydrophobicity and hydrophilicity, since the degree of change in wettability is small. In addition, since organic molecules are oriented at the object surface at a low density, there is a problem that the interaction between the organic molecules is weak and the film is unstable.
In the method of Non-Patent Document 3, it is necessary to flow a large current of 0.1 mC / cm 2 to the object in order to dope the object with an amount of ions whose wettability changes. .
Further, in the methods of Non-Patent Documents 4 to 6, it is necessary to apply a high voltage of 10 to several hundreds V or to confine the droplets in the microelectrode, so that it cannot be easily performed.
In the method of Non-Patent Document 7, it takes several minutes or more for the molecule to completely change its structure. Further, since the change in wettability before and after the structural change is small, it cannot be used for purposes requiring a large change in wettability.

以上のように、従来の方法は、物体表面のぬれ性を大きく変化させることができなかったり、容易に実施することができないなど、物体表面のぬれ性を制御する方法としては満足のいくものではなかった。   As described above, the conventional method is not satisfactory as a method for controlling the wettability of the object surface, such as the wettability of the object surface cannot be changed greatly or cannot be easily implemented. There wasn't.

本発明が解決しようとする課題は、物体表面のぬれ性を大きく変化させることが可能であって、容易に実施可能な方法を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a method that can greatly change the wettability of an object surface and can be easily implemented.

上記課題を解決するために成された本発明は、物体表面に形成した導電層上に、分子鎖の一端に該導電層と容易に反応して化学結合を形成する結合性官能基を有し、他端に酸化還元能を有する有機分子を自己組織化により略垂直に配向させて有機薄膜を形成し、導電層の両端に印加する電圧を調節して有機薄膜面内に傾斜電位を設けることにより物体表面の疎水性領域又は親水性領域を制御することを特徴とする表面物性制御方法である。 In order to solve the above problems, the present invention has a binding functional group on a conductive layer formed on an object surface, which has a binding functional group that easily reacts with the conductive layer at one end of a molecular chain to form a chemical bond. The organic thin film is formed by self-organizing organic molecules having oxidation-reduction ability at the other end to form an organic thin film, and a voltage applied to both ends of the conductive layer is adjusted to provide a gradient potential in the surface of the organic thin film. The surface property control method is characterized in that the hydrophobic region or the hydrophilic region on the surface of the object is controlled by the above.

本出願において、「結合性官能基」とは、金属その他の導電層と容易に反応して化学結合を形成する官能基をいう。また、「酸化還元能を有する官能基」(以下、「酸化還元官能基」という)とは、容易に酸化及び還元され、正又は負に荷電する官能基をいう。   In the present application, the “binding functional group” refers to a functional group that easily reacts with a metal or other conductive layer to form a chemical bond. Further, the “functional group having redox ability” (hereinafter referred to as “redox functional group”) refers to a functional group that is easily oxidized and reduced and is positively or negatively charged.

有機分子は、その結合性官能基と導電層との反応、及び隣接する有機分子同士の相互作用によって、導電層上に略垂直に配列し(自己組織化)、有機単分子層から成る有機薄膜を形成する。この際、有機分子は結合性官能基により物体表面の導電層に結合するため、薄膜表面には酸化還元官能基が現出する。   Organic molecules are arranged almost vertically on the conductive layer (self-organization) due to the reaction between the binding functional group and the conductive layer and the interaction between adjacent organic molecules (self-organization). Form. At this time, since organic molecules are bonded to the conductive layer on the surface of the object by the binding functional group, the redox functional group appears on the surface of the thin film.

酸化還元官能基は、導電層に印加する電圧を調整することにより酸化又は還元される。表面側の酸化還元官能基が酸化又は還元されることにより、その表面は親水性(疎油性)から疎水性(親油性)へ、或いは逆に、疎水性(親油性)から親水性(疎油性)へと変化する。この変化の方向は、有機薄膜の種類によって異なる。例えば、酸化還元官能基としてフェロセンを用いた場合、有機薄膜の電位がフェロセンの酸化還元電位(酸化金AuOxの酸化還元電位を基準とした場合、-0.5V)よりも高くなるようにすると、フェロセンが酸化されてフェリシニウムカチオンに変化する。また、その電位よりも低くなるようにすると、フェリシニウムカチオンが還元されてフェロセンに変化する。酸化還元官能基がフェリシニウムカチオンに変化すると、その面は親水性(疎油性)を示すようになり、フェリシニウムカチオンがフェロセンに変化すると、疎水性(親油性)を示すようになる。これにより、物体の表面のぬれ性を変化させることができる。   The redox functional group is oxidized or reduced by adjusting the voltage applied to the conductive layer. By oxidizing or reducing the redox functional group on the surface side, the surface changes from hydrophilic (oleophobic) to hydrophobic (lipophilic), or conversely, from hydrophobic (lipophilic) to hydrophilic (oleophobic). ). The direction of this change depends on the type of organic thin film. For example, when ferrocene is used as the redox functional group, the potential of the organic thin film becomes higher than the redox potential of ferrocene (-0.5 V when the redox potential of gold oxide AuOx is used as a reference). Is oxidized to a ferricinium cation. If the potential is lower than that, the ferricinium cation is reduced and converted to ferrocene. When the redox functional group changes to a ferricinium cation, the surface becomes hydrophilic (oleophobic), and when the ferricinium cation changes to ferrocene, it becomes hydrophobic (lipophilic). Thereby, the wettability of the surface of an object can be changed.

有機薄膜全体の電位が酸化還元官能基の酸化還元電位よりも高くなる(又は低くなる)ようにすれば、物体表面の全体が疎水性又は親水性の性質を示す。一方、有機薄膜の表面電位を、その酸化還元官能基の酸化還元電位を横切るように傾斜させると、酸化還元電位を横切った場所を境にして、物体表面が親水性部分と疎水性部分に分かれる。   If the potential of the entire organic thin film becomes higher (or lower) than the redox potential of the redox functional group, the entire surface of the object exhibits hydrophobic or hydrophilic properties. On the other hand, when the surface potential of the organic thin film is inclined so as to cross the redox potential of the redox functional group, the surface of the object is divided into a hydrophilic part and a hydrophobic part at the place where the redox potential is crossed. .

以上のように、酸化還元官能基の酸化還元は、物体に印加する電圧を調節することにより可逆的に行うことができる。そのため、本発明に係る方法によれば、物体表面のぬれ性を可逆的に変化させることが可能である。   As described above, the oxidation-reduction of the redox functional group can be performed reversibly by adjusting the voltage applied to the object. Therefore, according to the method of the present invention, the wettability of the object surface can be reversibly changed.

基板上に設ける導電層としては、金、白金、銀、銅、又はそれらの合金、或いはITO等を用いることができる。また、高濃度の不純物をドープすることにより導電性を高めた半導体を用いてもよい。   As the conductive layer provided over the substrate, gold, platinum, silver, copper, an alloy thereof, ITO, or the like can be used. Alternatively, a semiconductor whose conductivity is increased by doping a high concentration of impurities may be used.

有機薄膜を構成する分子の結合性官能基としては、チオール基、カルボニル基、アミノ基、リン酸基、スルホン酸基、ホスホン酸基、又はセレン(-SeH)といった反応性の高い官能基を用いることができる。導電層にゲルマニウムやシリコン半導体を用いた場合は、末端に二重結合を有する官能基も用いることができる。   Highly reactive functional groups such as thiol groups, carbonyl groups, amino groups, phosphoric acid groups, sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, or selenium (-SeH) are used as the binding functional groups of the molecules constituting the organic thin film. be able to. When germanium or a silicon semiconductor is used for the conductive layer, a functional group having a double bond at the terminal can also be used.

有機薄膜分子の酸化還元官能基としては、フェロセン、ルテニウム錯体、キノン類等、電気化学的に容易に酸化還元され、酸化された又は還元された状態において正又は負に荷電する官能基を用いることができる。   As a redox functional group of an organic thin film molecule, a functional group that is easily oxidized and reduced electrochemically, such as ferrocene, ruthenium complex, quinones, and positively or negatively charged in an oxidized or reduced state, should be used. Can do.

有機分子の構造は、分子鎖の一端に酸化還元能を有する官能基、他端に結合性官能基を有し、自己組織化単分子膜を形成可能なものであれば特に問うものではないが、炭素数が8以上のアルキル鎖の両端に結合性官能基と酸化還元官能基が結合した有機分子を用いるのが望ましい。この場合、各分子のアルキル鎖間のファンデルワールス力によって、高密度で配向が高度にそろった安定な膜が形成されやすい。   The structure of the organic molecule is not particularly limited as long as it has a functional group having redox ability at one end of the molecular chain and a binding functional group at the other end, and can form a self-assembled monolayer. It is desirable to use an organic molecule in which a binding functional group and a redox functional group are bonded to both ends of an alkyl chain having 8 or more carbon atoms. In this case, the van der Waals force between the alkyl chains of each molecule tends to form a stable film with high density and highly aligned orientation.

分子の酸化還元を利用する本発明に係る方法によれば、数ボルトの電圧を物体に印加することにより、物体表面を疎水性から親水性(又はその逆)に変化させることができる。
本発明に係る方法は、例えば微小流路を用いた化学分析システムに用いることができ、流路のぬれ性を変化させることにより、液の流速や流路を変化させることが可能である。
According to the method of the present invention using molecular redox, the surface of an object can be changed from hydrophobic to hydrophilic (or vice versa) by applying a voltage of several volts to the object.
The method according to the present invention can be used in, for example, a chemical analysis system using a micro flow channel, and the flow rate of the liquid and the flow channel can be changed by changing the wettability of the flow channel.

また、本発明に係る方法では有機単分子から成る超薄膜(厚さ数nm)を利用してぬれ性を制御することから、薄膜形成による着色がない。このことから、透明性が要求される目的にも使用することが可能である。例えば、ぬれ性の制御を狭い領域で行うことにより、電子ペーパーのような画像表示装置の画像表示用インクの動きを制御することも可能である。   Further, in the method according to the present invention, the wettability is controlled using an ultrathin film (thickness of several nm) made of organic single molecules, so that there is no coloring due to the formation of the thin film. Therefore, it can be used for purposes requiring transparency. For example, it is also possible to control the movement of image display ink of an image display device such as electronic paper by controlling wettability in a narrow region.

以下に、本発明に係る方法の一実施例について説明する。
厚さ100nmの金層(導電層)を形成したガラス板を、1mMの11-フェロセニル-1-ウンデカンチオール(株式会社同仁化学研究所製)のメタノール溶液中に浸漬して、2時間後に溶液から引き上げた。これにより、金層上にフェロセニルウンデカンチオールの自己組織化単分子膜を形成させた(図1)。
In the following, an embodiment of the method according to the invention will be described.
A glass plate on which a gold layer (conductive layer) having a thickness of 100 nm is formed is immersed in a 1 mM methanol solution of 11-ferrocenyl-1-undecanthiol (manufactured by Dojin Chemical Laboratory Co., Ltd.). Raised. As a result, a self-assembled monolayer of ferrocenylundecanethiol was formed on the gold layer (FIG. 1).

こうしてフェロセニルウンデカンチオールの自己組織化単分子膜を形成させた基板を0.1MHClO4水溶液に浸漬し、それに対向してPt電極を配置して、図2に示すように直流電圧を印加した。この電圧を変化させることにより両者間に流れる電流量を測定した。なお、以下における電位は全て、AuOxの酸化還元電位を基準とした金層(有機薄膜)側の電位の値である。 The substrate on which the self-assembled monolayer of ferrocenylundecanthiol was thus formed was immersed in a 0.1 M HClO 4 aqueous solution, a Pt electrode was placed opposite thereto, and a DC voltage was applied as shown in FIG. By changing this voltage, the amount of current flowing between them was measured. In addition, all the potentials below are potential values on the gold layer (organic thin film) side based on the oxidation-reduction potential of AuOx.

図3は、電圧の変化速度(掃引速度)を10, 25, 50, 100, 200mV/sと変化させたときの、電圧−電流応答特性を示したグラフである。電圧掃引速度に関わらず、フェロセンの酸化及びフェリシニウムカチオンの還元による電流密度のピークは-0.6〜-0.5Vに現れている。   FIG. 3 is a graph showing voltage-current response characteristics when the voltage change rate (sweep rate) is changed to 10, 25, 50, 100, and 200 mV / s. Regardless of the voltage sweep rate, the current density peak due to oxidation of ferrocene and reduction of ferricinium cation appears at -0.6 to -0.5V.

次に、疎水性を示すニトロベンゼンをHClO4水溶液中に滴下した。ニトロベンゼンは水には溶解しないため、有機薄膜表面にニトロベンゼンの液滴が形成された。 Next, nitrobenzene exhibiting hydrophobicity was dropped into an aqueous HClO 4 solution. Since nitrobenzene does not dissolve in water, nitrobenzene droplets were formed on the surface of the organic thin film.

この液滴の電圧変化に伴う形状変化を観察したところ、電圧を高くすると液滴は縮み(接触角約70度)、逆に、電圧を低くすると液滴は基板表面で広がった(接触角約25度)(図3の写真)。このことから、電圧を高くするとフェロセンの酸化が進行して基板表面は親水性になり、電圧を低くするとフェリシニウムカチオンの還元が進行して基板表面は疎水性になることが示された。   When the voltage change of the droplet was observed, the droplet shrunk when the voltage was increased (contact angle about 70 degrees). Conversely, when the voltage was lowered, the droplet spread on the substrate surface (contact angle approximately 25 degrees) (photo of Fig. 3). From this, it was shown that when the voltage is increased, the oxidation of ferrocene proceeds and the substrate surface becomes hydrophilic, and when the voltage is decreased, the reduction of ferricinium cation proceeds and the substrate surface becomes hydrophobic.

図4は、3μLのニトロベンゼン液滴を基板上に載置し、10〜200mV/sの速度で電圧を掃引した際の、液滴と基板の接触面積の変化の様子を表している。なお、接触面積の測定は、基板に水晶振動子を取り付け、53131Aユニバーサル・カウンタ(アジレント(Agilent)社製)を用いて基板の共振周波数を測定することにより行った。   FIG. 4 shows a change in the contact area between the droplet and the substrate when a 3 μL nitrobenzene droplet is placed on the substrate and the voltage is swept at a speed of 10 to 200 mV / s. The contact area was measured by attaching a crystal resonator to the substrate and measuring the resonance frequency of the substrate using a 53131A universal counter (manufactured by Agilent).

還元電位である-0.8Vにおいては、液滴の基板に対する接触角は約25°であった。電位を高くするにつれ、液滴と基板との接触面積が減少してゆき、接触角が大きくなってゆく。電圧の変化速度に関しては、掃引速度が200mV/s(電位幅の端から端まで約2秒)でも、ほぼリアルタイムで液滴の形状は変化し、電圧印加に対する応答は比較的高速であることがわかった。なお、還元過程(フェリシニウムカチオン→フェロセン)の液滴形状変化速度は、酸化過程(フェロセン→フェリシニウムカチオン)の速度に比べてやや遅れが見られた。これは、還元過程では、液滴の重力に抗して液滴の形状を変化させなければならないためであると思われる。
以上のように、基板表面に現出したフェロセンがフェリシニウムカチオンに変化することにより、基板表面のぬれ性が変化することが示された。
At the reduction potential of −0.8 V, the contact angle of the droplet with respect to the substrate was about 25 °. As the potential is increased, the contact area between the droplet and the substrate decreases, and the contact angle increases. Regarding the voltage change rate, even when the sweep rate is 200 mV / s (approximately 2 seconds from end to end of the potential width), the shape of the droplet changes almost in real time, and the response to voltage application is relatively fast. all right. In addition, the drop shape change rate of the reduction process (ferricinium cation → ferrocene) was slightly delayed compared to the rate of the oxidation process (ferrocene → ferricinium cation). This seems to be because in the reduction process, the droplet shape must be changed against the gravity of the droplet.
As described above, it has been shown that the wettability of the substrate surface is changed by changing the ferrocene appearing on the substrate surface to a ferricinium cation.

次に、同一平面内で場所毎に表面のぬれ性を変えることが可能であることを、図5の装置を用いて確認した。なお、測定には、極めて薄い(100nm)金層を積層させたガラス板上にフェロセニルウンデカンチオールの自己組織化単分子膜を形成させた基板を用いた。金層を極めて薄くしたのは、導電層の抵抗を高めて、導電層内に電位勾配が形成されるようにするためである。なお、半導体導電層等を用いた場合のように、導電層自体の抵抗率が高い場合には、必ずしも薄膜とする必要はない。   Next, it was confirmed using the apparatus of FIG. 5 that the wettability of the surface can be changed for each place in the same plane. For the measurement, a substrate in which a ferrocenylundecanthiol self-assembled monolayer was formed on a glass plate on which an extremely thin (100 nm) gold layer was laminated was used. The reason why the gold layer is made extremely thin is to increase the resistance of the conductive layer so that a potential gradient is formed in the conductive layer. Note that in the case where the resistivity of the conductive layer itself is high as in the case where a semiconductor conductive layer or the like is used, it is not always necessary to use a thin film.

図5の装置は、基板のA点及びB点にそれぞれ接続された電源と、基板のA点及び対向電極(Pt電極)に接続されたポテンショスタットとを有している。また、ポテンショスタットには、参照電極としてAuOx電極も接続されている。   The apparatus shown in FIG. 5 has a power source connected to points A and B on the substrate, and a potentiostat connected to point A on the substrate and a counter electrode (Pt electrode). The potentiostat is also connected with an AuOx electrode as a reference electrode.

以下においては、基板AB間に印加する電圧をバイアス電圧、基板のA点と対向電極との間に印加する電圧を基準電圧と呼ぶ。
図5のA点を原点として、AB方向をx軸とした。また、B点に向かってバイアス電圧がマイナスになるように電圧を設定し、基準電圧はフェロセンの酸化還元電位よりも正側となるように設定した。
Hereinafter, the voltage applied between the substrates AB is referred to as a bias voltage, and the voltage applied between the point A of the substrate and the counter electrode is referred to as a reference voltage.
The point A in FIG. 5 is the origin, and the AB direction is the x axis. Further, the voltage was set so that the bias voltage became negative toward the point B, and the reference voltage was set to be on the positive side with respect to the oxidation-reduction potential of ferrocene.

なお、この装置では、基板と対向電極の間には、基板表面で起こるフェロセンの電気化学反応(酸化還元反応)による電流以外はほとんど流れず、フェロセンの酸化還元反応が平衡状態になると、電流はほとんど流れなくなる。このため、基板全体の電圧はバイアス電圧とほぼ等しくなる。   In this device, almost no current flows between the substrate and the counter electrode except the ferrocene electrochemical reaction (oxidation-reduction reaction) that occurs on the substrate surface. Almost no longer flows. For this reason, the voltage across the entire substrate is substantially equal to the bias voltage.

図6は、基準電圧を一定(基準電圧Eoffset=-300mV)にし、バイアス電圧(Vbias)を徐々に負に大きくして(最終電圧-0.7V)、基板内に急峻な電位勾配を形成した時の、異なる3つの位置にあるニトロベンゼン液滴(疎水性)の形状変化の様子を表した写真である。電位勾配が急になるにつれて、B点に近い方(写真の左側)にあるニトロベンゼンの液滴の基板に対する接触面積が大きくなった。これは、基準電圧を一定にし、バイアス電圧(Vbias)を負に大きくする(Vbias1→Vbias2)ことにより、疎水性領域がB点からA点の方に広がったことによる(図7)。
このように、バイアス電圧を変化させることにより、基板平面内で表面のぬれ性が変化する位置を変えることが可能であることが示された。
FIG. 6 shows a case where a steep potential gradient is formed in the substrate by keeping the reference voltage constant (reference voltage Eoffset = -300 mV) and gradually increasing the bias voltage (Vbias) to negative (final voltage -0.7 V). It is the photograph showing the mode of the shape change of the nitrobenzene droplet (hydrophobicity) in three different positions. As the potential gradient became steeper, the contact area of the nitrobenzene droplet closer to the point B (left side of the photograph) with the substrate increased. This is because the hydrophobic region spreads from the B point toward the A point by making the reference voltage constant and increasing the bias voltage (Vbias) negative (Vbias1 → Vbias2) (FIG. 7).
Thus, it was shown that the position where the wettability of the surface changes in the substrate plane can be changed by changing the bias voltage.

図8は、バイアス電圧を一定(Vbias=-0.6V)にし、基準電圧を負に大きくして、基板内の電位を変化(-300mVから-400mVに変化)させた時の、異なる3つの位置にあるニトロベンゼン液滴の形状変化の様子を表した写真である。基準電圧を負に大きくしていくことにより、より原点に近い位置の液滴の基板に対する接触面積が大きくなっている。これは、バイアス電圧を一定にし、基準電圧を負に大きくする(Eoffset1→Eoffset2)ことにより、疎水性領域がB点からA点の方に広がったことによる(図9)。
このように、基準電圧を変化させることによっても、基板平面内で表面のぬれ性が変化する位置を変えることが可能であることが示された。
Figure 8 shows three different positions when the bias voltage is constant (Vbias = -0.6V), the reference voltage is increased negatively, and the potential in the substrate is changed (change from -300mV to -400mV). It is the photograph showing the mode of the shape change of the nitrobenzene droplet in. By increasing the reference voltage negatively, the contact area of the droplet closer to the origin with respect to the substrate is increased. This is because the hydrophobic region spreads from the B point toward the A point by making the bias voltage constant and increasing the reference voltage negative (Eoffset1 → Eoffset2) (FIG. 9).
Thus, it was shown that the position where the wettability of the surface changes in the substrate plane can also be changed by changing the reference voltage.

電位勾配を形成することによる同一平面内におけるぬれ性の変化を利用して、ニトロベンゼンの液滴(直径2mm)を平面内で移動させた(図10)。この際、バイアス電圧を一定(Vbias=-0.5V)にし、基準電圧を変化させた。
(a)まず、親水性領域に、ニトロベンゼンの液滴を載置した(Eoffset=-270mV)。
(b)その後、基準電圧を負に大きくして、親水性領域と疎水性領域の境界を液滴に近づけた。
(c)液滴が疎水性領域に接すると、疎水性領域に接した部分の液は、疎水性領域の方向に向かって接触面積を広げていった。この際、親水性領域に位置する液は動かなかった(Eoffset=-340mV)。
(d)基準電圧を更に負に大きくして、液滴がほぼ完全に疎水性領域に位置するようにした。
(e)その後、基準電圧を正方向に変化させて、液滴の一部分が親水性領域に位置するようにした。基準電圧を変化させるにつれて、親水性領域に位置する液滴の基板に対する接触面積は小さくなり、縮んだ形状となった。
(f)完全に液滴が親水性領域に位置するように基準電圧を変化させた(Eoffset=-270mV)。これにより、液滴は完全に元のような縮んだ形状となった。しかし、この時の液滴の基板上での位置は、(a)の位置から移動していた。上記の操作を繰り返し行えば、液滴を基板の端まで移動させることも可能である。
Nitrobenzene droplets (2 mm in diameter) were moved in the plane using the change in wettability in the same plane by forming a potential gradient (FIG. 10). At this time, the bias voltage was kept constant (Vbias = -0.5V), and the reference voltage was changed.
(a) First, a nitrobenzene droplet was placed on the hydrophilic region (Eoffset = −270 mV).
(b) Thereafter, the reference voltage was increased negatively to bring the boundary between the hydrophilic region and the hydrophobic region closer to the droplet.
(c) When the droplet contacted the hydrophobic region, the liquid in the portion in contact with the hydrophobic region expanded the contact area toward the hydrophobic region. At this time, the liquid located in the hydrophilic region did not move (Eoffset = −340 mV).
(d) The reference voltage was further increased negatively so that the droplet was almost completely located in the hydrophobic region.
(e) Thereafter, the reference voltage was changed in the positive direction so that a part of the droplet was positioned in the hydrophilic region. As the reference voltage was changed, the contact area of the droplet located in the hydrophilic region with respect to the substrate became smaller and became a contracted shape.
(f) The reference voltage was changed so that the droplet was completely located in the hydrophilic region (Eoffset = −270 mV). As a result, the droplets were completely shrunk to the original shape. However, the position of the droplet on the substrate at this time moved from the position (a). If the above operation is repeated, the droplet can be moved to the end of the substrate.

以上のように、ぬれ性が変化する境界の位置を同一基板内において変えることにより、基板上で液滴を移動させることができる。なお、以上においては、基準電圧を変化させることにより液滴を移動させたが、バイアス電圧の大きさを変化させることにより液滴を移動させることも可能である。   As described above, the droplet can be moved on the substrate by changing the position of the boundary where the wettability changes in the same substrate. In the above description, the droplet is moved by changing the reference voltage. However, it is also possible to move the droplet by changing the magnitude of the bias voltage.

以上のことから、本発明に係る方法によれば、数ボルトという小さな電圧を物体に印加することにより、物体表面のぬれ性を可逆的に変化させることが可能であることが示された。   From the above, according to the method of the present invention, it was shown that the wettability of the object surface can be reversibly changed by applying a voltage as small as several volts to the object.

なお、以上においては、HClO4水溶液を電解質溶液として用いたが、もちろんHClO4水溶液以外の電解質を用いてもよい。
また、以上においては、疎水性のニトロベンゼン液滴を物体表面で移動させたが、有機電解質を用いて、同様の方法で水のような親水性液滴を移動させることも可能である。
In the above, an aqueous HClO 4 solution was used as an electrolyte solution, but an electrolyte other than an aqueous HClO 4 solution may of course be used.
In the above description, the hydrophobic nitrobenzene droplets are moved on the surface of the object. However, it is also possible to move hydrophilic droplets such as water using an organic electrolyte in the same manner.

微小流路を用いた化学分析システムにおいて、液輸送管壁と輸送される液の間に電圧を印加して液輸送管壁のぬれ性を変化させることにより、液の流量や流速、流路を変化させることが可能である。
また、電子ペーパーのような画像表示装置において、基板を細かく分画し、この分画された領域ごとに基板のぬれ性を制御することにより画像表示用インクの動きを制御して、画像の表示状態を変化させることも可能になる。
更には、水等を充填した容器内で液滴が移動したり形状を変化させたりするような室内装飾品を作製することも可能である。
In a chemical analysis system using a micro flow channel, by applying a voltage between the liquid transport tube wall and the liquid to be transported to change the wettability of the liquid transport tube wall, It is possible to change.
Further, in an image display device such as electronic paper, the substrate is finely divided, and the movement of the ink for image display is controlled by controlling the wettability of the substrate for each of the divided areas, thereby displaying an image. It is also possible to change the state.
Furthermore, it is also possible to produce an upholstery product in which droplets move or change shape in a container filled with water or the like.

フェロセニルウンデカンチオール自己組織化単分子膜の酸化還元時の様子を表す図。The figure showing the mode at the time of the oxidation reduction of a ferrocenyl undecanethiol self-assembled monolayer. 電圧−電流応答特性測定用装置の概略構成図。The schematic block diagram of the apparatus for a voltage-current response characteristic measurement. フェロセニルウンデカンチオールの自己組織化分子膜を表面に形成した基板の電圧−電流応答特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage-current response characteristic of the board | substrate which formed the self-organization molecular film of the ferrocenyl undecane thiol on the surface. 電圧掃引時の基板に対する液滴の接触面積の変化を表すグラフ。The graph showing the change of the contact area of the droplet with respect to the board | substrate at the time of a voltage sweep. 同一平面内でのぬれ性を変化させるための装置の概略構成図。The schematic block diagram of the apparatus for changing the wettability in the same plane. 基準電圧を一定にしてバイアス電圧を変化させた際の、ニトロベンゼン液滴の形状変化の様子を表す写真。A photograph showing how the shape of a nitrobenzene droplet changes when the bias voltage is changed while keeping the reference voltage constant. (a)基板上の電位とぬれ性との関係を表す図、(b)バイアス電圧を変化させた場合の関係の変化を表す図。(a) The figure showing the relationship between the electric potential on a board | substrate, and wettability, (b) The figure showing the change of the relationship at the time of changing bias voltage. バイアス電圧を一定にして基準電圧を変化させた際の、ニトロベンゼン液滴の形状変化の様子を表す写真。A photograph showing how the shape of the nitrobenzene droplet changes when the reference voltage is changed with a constant bias voltage. (a)基板上の電位とぬれ性との関係を表す図、(b)基準電圧を変化させた場合の関係の変化を表す図。(a) The figure showing the relationship between the electric potential on a board | substrate, and a wettability, (b) The figure showing the change of the relationship at the time of changing a reference voltage. 同一平面内におけるぬれ性の変化を利用して、ニトロベンゼンの液滴を移動させた様子を表す写真。A photograph showing the movement of a nitrobenzene droplet using the change in wettability in the same plane.

Claims (4)

物体表面に形成した導電層上に、分子鎖の一端に該導電層と容易に反応して化学結合を形成する結合性官能基を有し、他端に酸化還元能を有する有機分子を自己組織化により略垂直に配向させて有機薄膜を形成し、該導電層の両端に印加する電圧を調節して有機薄膜面内に傾斜電位を設けることにより物体表面の疎水性領域又は親水性領域を制御することを特徴とする表面物性制御方法。   A self-organizing organic molecule having a binding functional group that easily reacts with the conductive layer at one end of the molecular chain to form a chemical bond on the conductive layer formed on the surface of the object and has redox ability at the other end An organic thin film is formed by orienting vertically in order to control the hydrophobic area or hydrophilic area of the object surface by adjusting the voltage applied to both ends of the conductive layer and providing a gradient potential in the organic thin film plane. A method for controlling surface physical properties. 前記導電層が金属薄膜であることを特徴とする請求項1に記載の表面物性制御方法。   The surface property control method according to claim 1, wherein the conductive layer is a metal thin film. 物体表面に形成した導電層上に、分子鎖の一端に該導電層と容易に反応して化学結合を形成する結合性官能基を有し、他端に酸化還元能を有する有機分子を自己組織化により略垂直に配向させて有機薄膜を形成し、該導電層の両端に印加する電圧を正負両方向に交互に変化させて物体表面上の液滴が親水性領域及び疎水性領域に交互に位置するように物体表面の疎水性領域と親水性領域の境界位置を変化させることにより前記物体表面上の液滴を可逆的に移動させる方法。 A self-organizing organic molecule having a binding functional group that easily reacts with the conductive layer at one end of the molecular chain to form a chemical bond on the conductive layer formed on the surface of the object and has redox ability at the other end An organic thin film is formed by orienting in a substantially vertical direction, and the voltage applied to both ends of the conductive layer is alternately changed in both positive and negative directions so that droplets on the object surface are alternately positioned in the hydrophilic region and the hydrophobic region. method of moving the droplet on the object surface reversibly by changing the boundary position between the hydrophobic and hydrophilic regions of the object surface such that. 前記導電層が金属薄膜であることを特徴とする請求項3に記載の物体表面上の液滴を可逆的に移動させる方法。   4. The method of reversibly moving droplets on an object surface according to claim 3, wherein the conductive layer is a metal thin film.
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