Learning from Leaf Surfaces – Patterning Aerosols by Hydrophilicity Gradients. 植物の葉と帯電微粒子。親水性と表面電位が誘う選択的パターニング

植物の葉の表面をよく見ると、微粒子が均一ではなく、ある特定の部位に選択的に付着していることがあります。しかし、それらの部位は顕微鏡で見ても見た目はほとんど同じ。いったい、粒子は何を手がかりに「着地地点」を決めているのでしょうか？この謎を解き明かすため、私たちは「気相中を飛来する帯電微粒子」と、「親水性が異なる表面」との関係に着目した研究を行いました。

◆当研究室の「世界初」技術の紹介

研究のキモ：親水性が表面電位を変える

研究室の博士課程後期の学生らは、金属基板の一部だけを化学処理（リン酸処理）し、「同じ基板上に親水性の高い領域と低い領域」を作り出しました。

興味深いことに、親水性が高いとされる処理領域では、表面電位がより強い「負」の値を示すことが分かりました。つまり、化学処理によって表面の電気的な性質（表面電位）が変化したのです。

帯電粒子は「より親水性の高いエリア」に集まる

次に、この基板に向けて、正に帯電させた微粒子（SiO₂または銀（Ag）の粒子）をエアロゾル（気体中に浮遊する微粒子）として散布させ、その付着挙動を観察しました。

その結果、正に帯電した粒子は、表面電位が強く「負」である「親水性の高い領域」に、選択的かつ高密度に付着する傾向があることが明らかになりました。

これは、正電荷を持つ粒子が、負電荷を強く帯びた親水性領域に静電気的に引き寄せられるためと考えられます。粒子自身の「電荷」が、着地する場所を決めるナビゲーターの役割を果たしたのです。

まとめると：
化学処理 → 親水性の向上 → 表面電位の変化（より負に）→ 正帯電粒子の選択的付着

今後は？

【材料パターニング技術への応用】マスクを使わずに、表面処理だけで微細な導電性パターンを作成できる可能性があります。半導体やフレキシブルデバイスの製造プロセス革新につながります。
【環境科学への貢献】このメカニズムは、「なぜ植物の葉の特定の部位に大気汚染粒子や花粉が付着しやすいのか」 という自然現象を解き明かす強力な手がかりとなります。植物と大気環境の相互作用の理解が深まります。

この研究は、一見無関係に見える「工業材料の表面改質」と「植物の生理学」の間に、共通の物理化学的な原理が存在することを示唆しています。自然から学び、その原理を技術に活かす。私たちの研究室では、そんなイノベーションを目指しています。

Area-selective deposition of charged particles derived from colloidal aerosol droplets on a surface with different hydrophilic levels...J. Aerosol Science. (a work by Kusdianto (Doctoral student, now with Institut Teknologi Sepuluh Nopember ITS, Indonesia), and Masao Gen (Doctoral student, now with Chuo University, Tokyo)

https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2014.06.001

If you look closely at a plant leaf, you might notice that fine particles are not uniformly deposited but selectively adhere to specific areas. Yet, under a microscope, these areas often look identical. So, what cues do the particles use to choose their “landing sites”?

To solve this mystery, we conducted research focusing on the relationship between “charged particles traveling through the gas phase” and “surfaces with different hydrophilicity levels.”

The Key: Hydrophilicity Alters Surface Potential

Our PhD students chemically treated (phosphoric acid treatment) only part of a metal substrate, creating “areas with high and low hydrophilicity on the same substrate.”

Interestingly, we found that the treated area, which had higher hydrophilicity, exhibited a stronger negative surface potential. In other words, the chemical treatment changed the surface’s electrical properties (surface potential).

Charged Particles Gather on “More Hydrophilic Areas”

Next, we sprayed positively charged fine particles (SiO₂ or Ag) as an aerosol onto this substrate and observed their deposition behavior.

The results clearly showed that the positively charged particles tended to deposit selectively and densely on the “more hydrophilic areas” with the stronger negative surface potential.

This is likely because the positively charged particles are electrostatically attracted to the hydrophilic areas that carry a stronger negative charge. The “charge” of the particles themselves acted as a navigator, determining their landing site.

In summary:
Chemical Treatment → Increased Hydrophilicity → Change in Surface Potential (more negative) → Selective Deposition of Positively Charged Particles

Future Prospects Unlocked by This Discovery

【Application to Material Patterning Technology】This could enable the creation of fine conductive patterns using only surface treatment, without masks. It may lead to innovations in manufacturing processes for semiconductors and flexible devices.
【Contribution to Environmental Science】This mechanism provides a powerful clue for unraveling the natural phenomenon of “why airborne pollution particles or pollen tend to adhere to specific parts of plant leaves.” It deepens our understanding of plant-atmosphere interactions.

This research suggests that a common physicochemical principle exists between seemingly unrelated fields: “surface modification of industrial materials” and “plant physiology.” Learning from nature and applying its principles to technology – this is the kind of innovation our lab strives for.