オーストラリアのメルボルンにあるRMIT大学の研究チームは、高周波音波を使用して液体をミクロンサイズのエアロゾル液滴に霧化し、基板を加熱したり損傷したりすることなく、さまざまな微細な表面に均一で緻密な「目に見えない保護層」を形成する新しいコーティング技術を開発しました。研究者らは、この方法を一般的な観葉植物ポトス（Epipremnum aureum）の葉に初めて適用し、光合成に影響を与えることなく有害な紫外線（UV）を効果的に遮断し、「壊れやすい生物」を保護するその穏やかでありながら非常に効果的な能力を鮮やかに実証しました。
この研究の核心は、音響マイクロフルイディクス (音響マイクロ流体工学) 技術を使用して、液体前駆体を制御して、約 10 MHz の超高周波音波を生成し、繊細なエアロゾル雲を形成できる小さなチップの表面で液体前駆体を引き伸ばして「壊す」ようにすることです。これらの液滴が空気中を飛行し、ターゲット表面に堆積すると、自己集合して一種の共有結合性有機フレームワーク材料 (COF) が形成され、厚さはわずか数ミクロンですが、連続構造と明確な機能を備えた保護コーティングが形成されます。この「霧化＋成膜」の一貫プロセスは、常温常圧、大気中で完了することができます。従来のコーティングプロセスで一般的に使用されていた高温、長時間の反応、または厳格な実験室環境は必要ないため、材料と環境の要件が大幅に軽減されます。
共有結合性有機フレームワークは、高度に多孔質で結晶秩序のある材料の一種であり、ナノスケールの穴を備えた「分子足場」とよく表現されます。光の吸収、特定の化学物質の捕捉、表面の保護などの複数の機能を実現するように構造的に設計できます。しかし、過去の用途では、COF の構築プロセスは非常に「厳しい」ものでした。通常、前駆体を高温で長時間反応させる必要があり、プロセスは複雑で、条件は過酷です。スケールアップが難しく、植物の葉や柔軟なフィルムなどの傷つきやすい基材での使用には適していません。研究チームは、従来のプロセスでは「材料の秩序だった構造の維持」と「コーティング表面への損傷の回避」の間で難しい選択を迫られることが多く、音波霧化プラットフォームはこのジレンマを打破する新たな方法を提供すると指摘した。
この実験では、研究者らは実際の生物表面におけるコーティングの性能を検証するための試験対象として植物の葉を使用した。COF コーティングは可視光を自由に通過させながら有害な紫外線を選択的に吸収することができるため、植物は光合成を続けることができる。実験では、コーティング、UV照射、その後のコーティング除去の全プロセスにおいて、試験期間中(60日間)、葉に明らかな損傷の兆候が見られないことが示され、この「音波日焼け止めスプレー」の保護効果と生体適合性のバランスが強調されました。研究チームはこれを「概念実証」とみなしており、このプラットフォームがより現実世界のインターフェース、デバイス、生物学的システムに推進され、適用される可能性があると考えています。
技術的な面では、音響マイクロ流体プラットフォームはチップレベルの設計を採用しており、小型軽量です。動作原理は、チップの表面で生成される超高周波音響振動によって、チップ内を流れる前駆体液体を継続的に引き伸ばして安定した微細な液滴に分割することです。これらのミスト液滴をさまざまな表面に堆積すると、ペーパータオルほど薄い柔らかい組織上でも、穏やかで高度に制御されたコーティングの堆積が可能になります。研究者らは、この方法は「製造」と「コーティング」を 1 つのステップに組み合わせており、追加の加熱や複雑な環境制御を必要とせず、プロセスの簡素化と適用範囲の点で明らかな利点があることを強調しました。
応用の見通しの観点から、研究チームは繊維、プラスチック、ガラス、シリコンベースの電子デバイスなどを含む高感度材料および新世代デバイスにおける COF コーティングの使用の可能性にさらに注目しています。多くの新しい電子製品、センサー、膜材料は温度に非常に敏感であり、従来のコーティングプロセスに耐えることができません。しかし、光、腐食、化学的攻撃に耐えるための表面保護層が緊急に必要です。音波霧化技術は、このプロセスのギャップを埋めます。研究に参加した学者らは、この方法がCOFの可能性を実験室材料から実際の応用まで大きく広げ、環境保護、機能性コーティング、バイオテクノロジーへの展開に新たな状況を切り開くと指摘した。
スケーラビリティの観点から、研究チームは、このチップレベルの音響プラットフォームは、大面積の洗練されたスプレー作業を実行するための無人システムとの統合に非常に適していると考えています。装置の小型化と低コスト特性のおかげで、このプラットフォームはドローンや自動運転車に設置して作物や森林の葉を正確にコーティングすることができ、屋外環境で大規模な「定点日焼け止め」やその他の機能的な散布を実現できます。ナノファブリケーションによってもたらされる大規模生産の利点と組み合わせることで、研究者らはこの技術が将来のバイオテクノロジーや環境工学の応用において大規模に展開されることを期待しています。
現在、この技術はオーストラリアで仮特許出願を行っており、関連研究論文が学術誌「Science Advances」に掲載されている。研究チームは、自然環境における長期曝露条件下でのコーティングの安定性と耐久性をさらに評価し、電子デバイス保護、化学保護フィルム、その他の敏感な界面における実用的なソリューションを探求すると述べた。屋外耐候性に関する疑問はまだ解決されていませんが、音波に依存したコーティングの製造および堆積のこの新しい方法は、既存のプロセス パラダイムを破壊する可能性があることを示しています。