◆当研究室の「世界初」技術の紹介

(English follows Japanese)

植物の葉を見ると、大気中の微粒子が葉全体に均一に付着しているわけではなく、特定の場所に集まりやすいことがあります。しかし不思議なことに、その場所は顕微鏡で見てもほとんど同じように見えます。

では、

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？

この問いから、本研究は始まりました。

私たちは、親水性の異なる領域を持つ表面を作製し、そこへ帯電した微粒子をエアロゾルとして飛行させました。

その結果、

正に帯電した粒子は、より親水性が高く、より負の表面電位を持つ領域へ選択的に集まる

ことを発見しました。

つまり粒子は偶然に付着しているのではなく、

表面の電気的な違いを感じ取りながら着地している

ことになります。

この発見は、

• 葉のどこに大気（汚染）粒子が付着するのか
• 微粒子を使って電子材料をパターニングできないか

という、一見異なる問題をつなぐ共通原理を示しています。

自然界の粒子付着現象から学び、その原理を工学へ応用する。

これが私たちの目指す

Plant‑Inspired Particle Deposition

です。

If you look closely at a plant leaf, airborne particles do not deposit uniformly. Instead, they often accumulate in specific areas. Surprisingly, those areas may look almost identical under a microscope.

This raises a simple question:

How do particles choose where to land?

To address this question, we created surfaces containing regions with different levels of hydrophilicity and exposed them to charged aerosol particles.

The experiments revealed that

positively charged particles preferentially deposited on regions that were more hydrophilic and carried a stronger negative surface potential.

In other words, particle deposition was not random.

The particles were effectively guided by local electrical properties of the surface.

This finding provides a common physicochemical explanation for seemingly unrelated phenomena:

• Why air-“pollution” particles accumulate on specific parts of plant leaves.
• How charged particles can be selectively deposited to create material patterns without masks.

The study demonstrates how observations from nature can inspire new engineering approaches for particle deposition and surface patterning.

This concept became the foundation of

Plant‑Inspired Particle Deposition.

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

• 葉表面の粒子付着現象に着想を得た研究
• 親水性と表面電位が粒子の着地位置を決定
• 帯電微粒子の選択的付着を実証
• マスクレス微細パターニングへの応用可能性

Highlights:

• Inspired by particle deposition on plant surfaces
• Hydrophilicity influences surface potential and deposition behavior
• Demonstrated selective deposition of charged aerosol particles
• Potential route to mask‑free particle patterning

本研究を進める中で、私たちは別の可能性にも気づきました。正に帯電した粒子が、表面電位の違いによって特定の場所へ選択的に付着するのであれば、

粒子の付着パターンそのものを利用して表面電位を可視化できるのではないか？

という考えです。

一般的な表面電位計では、測定領域はミリメートルスケールであることが多く、微細な電位分布を評価することは容易ではありません。

一方、本研究の粒子付着法では、

マイクロメートルスケールの表面電位分布を反映した粒子パターンが自己形成される

可能性があります。

言い換えれば、

粒子自身がプローブとなり、表面の見えない電位分布を描き出す

技術へ発展する可能性があります。

Potential Application as a Surface-Potential Mapping Technique

During this study, we realized another intriguing possibility.

If charged particles selectively deposit according to local surface potential,

could the particle deposition pattern itself be used to visualize surface potential?

Conventional surface-potential measurement techniques typically operate at the millimeter scale, making it difficult to resolve fine variations in local surface properties.

In contrast, the particle-deposition approach developed here may provide information about surface-potential distributions at the micrometer scale.

In other words,

the particles themselves can act as probes, generating self-assembled patterns that reveal otherwise invisible surface-potential landscapes.

This concept suggests a new way to characterize heterogeneous surfaces beyond the resolution of conventional macroscopic measurements.

“粒子を利用したマイクロスケール表面電位イメージング” Microscale Particle-Based Surface Potential Imaging (μPSPI)

>>> Some journal papers from our group.

Short-link of this site:
http://wp.me/p10HOa-1Qs

Plant‑Inspired Charged‑Particle Patterning: Hydrophilicity Gradient‑Driven Micro‑Selective Deposition

Hydrophilicity Gradient‑Driven Particle Patterning Inspired by Plant Electrostatics

植物に学ぶ：葉が作る微細パターンを再現する新技術