【自由研究】 ハスの葉の観察

ハスの葉に水滴を落とすとコロコロ転がる「ロータス効果」が有名です．
バイオミメティクス（生物模倣）の代表例としても知られています．
私も，小学生の時にサトイモ育てており，朝起きると葉の上に朝露が乗った姿を見て，感動していた記憶があります．

今回は，ハスやサトイモに見られる「撥水性」はどのような仕組みで得られているのか，実際に自分で観察・実験して，考察してみたいと思います．

この記事は，学部生向け体験授業のTAをするにあたって，自分の理解を深めるために考えて調べたことをまとめたものです．ガバガバなところも多々あります．

文章は，3つのパートに分かれています．
「観察」パートは，学部生と一緒に実施することを想定した測定の結果です．「考察」パートは，観察時にポイントとなる部分について，自分なりに洗い出し，論文や文献などから知識を集めた備忘録です．「応用」パートは，自分が気になった身近な例をいくつかまとめたものになります．

ハスの葉の観察

サンプル　大学から徒歩10分ほどにある不忍池で，ハスの葉の縁を少し切り取って採取，冷凍庫で保管しました．観察は，採取直後の9月および11月にそれぞれ1回ずつ実施しました．

1. 水をかけてみる

ペットボトルに溜めた水を，さまざまな角度からハスの葉にかけ，その様子を観察しました．

ハスの葉表面では，水は水滴となり，コロコロと転がりました（Fig.1-1）．ハスの葉表面に当たった水は，跳ね返って飛んでいく，または葉の中心に集まりました（Fig.1-2, 3）．葉の中心部に集まった水は，葉を少し揺らしても落ちず，葉全体が大きくたわむと滑り落ちました．

2. SEM観察

今回使用したのは，卓上SEMのJCM7000 (JEOL)です．

観察1　葉の表面形状および内部構造
ハスの葉を試料台に固定し，白金コーティング後，SEMを用いて形状観察しました．ハスの葉は，葉の縁部分を切り取ったものを使用しました．

ハスの葉の表面には，細かな突起が密集していることがわかりました（Fig.2-1）．密度を算出すると，5,660 /mm^2と求まります．文献値は3,400 /mm^2程度と考えると，ハスの葉全体で突起の分布にはばらつきがあり，縁はより密度が高くなっていると考えられます．

葉の表皮細胞層を剥がして，内部構造を観察しました（Fig.2-2）．表皮細胞層の下には海綿状の組織が見られました（Fig.2-2(b)）．その下には，細胞壁と思われる白い輪郭で囲まれた大きな空洞が分布していました（Fig.2-2(c)）．
葉の裏面は，細かな毛のようなシワが見られるものの，平滑な面が観察されました（Fig.2-3）．気孔は観察されませんでした．細かな毛のようなものはワックス結晶と考えられます．

観察2　ワックス層の除去
ハスの葉をクロロホルムで5分間浸漬したものを用意し，先ほどと同様に白金を蒸着してから形状観察を行いました．

クロロホルム浸漬によって，葉表面のワックス成分を除去することができます．
ワックス除去後は，表皮細胞の形がはっきり観察され，葉の上面に気功があることが明らかになりました（Fig.2-4）．乳頭突起は，1つ表皮細胞に対して1つあり，表皮細胞が変形したものであると考えられます．乳頭の直径は表皮細胞の直径（~20 μm）よりもはるかに小さく（~5 μm），各乳頭の頂点は球形ではなく，歪な楕円形を形成しています．

ワックス除去後によって乳頭突起の粗い表面が滑らかになりました（Fig.2-5）．ダブルフラクタルの大きい方は乳頭状突起で表皮細胞由来，小さい方はクチクラのワックス由来と考えられます．また，それぞれの乳頭の高さは均一ではなく，ばらつきが見られます．
Fig.2-5 (c)において，乳頭先端のワックスは滑らかな表面になっているのに対し，乳頭の下側や乳頭間の表面はワックスの結晶が維持されていることがわかります．環境中で引っ掛かれるなどして，柔らかいワックスが侵食されたと考えられます．乳頭がなく全体のワックスが剥がれてしまうのに比べて，乳頭の先端以外のワックスが維持されることで，ハスの葉は寿命が終わるまで撥水性を維持できると考えられます．

Fig.2-6は，ハスの葉の縁で見られる，100 μmサイズの突起物を拡大したものです．クロロホルム浸漬後も形状が保たれたことから，表皮細胞による構造と考えられました．また，乳頭突起が組み合わさっていることから，複数の表皮細胞で構成されていることがわかります．Fig.2-1(a)から，突起物は300〜500 μmの間隔で位置し，密度は8 /mm^2 と求まりました．

3. 水接触角測定

ハスの葉を1 cm×1 cmサイズに切り出し，両面テープでスライドガラスに固定しました．接触角測定器/M1040CAM-SE6Eで測定を行いました．

液滴法を用いようとしたが，サンプルへの接触時に水滴が離れなかったため，水滴を滴下することにしました．

クロロホルム浸漬前後で，水接触角は164°から130°に変化しました（Fig.3-1）．葉表面のワックスが除去されたことで，撥水性が低下したためと考えられます．また，水滴が乗ったサンプルを傾けると，クロロホルム浸漬前は水滴が滑り落ちたのに対し，処理後には葉の上に残りました（Fig.3-2）．ここから，ワックスが水滴の滑落に効果的であったことがわかりました．

考察

SEMは何が見えているのか

生物模倣（Biomimetics）研究では，生物が持つナノ・マイクロサイズの微細な構造を観察するために，電子顕微鏡が重要な役割を果たしてきました．

SEM（走査型電子顕微鏡）は，観察する試料に電子を照射して観察する手法です．光学顕微鏡と違って，光ではなく電子を使って小さいものを見るのが電子顕微鏡です．

像が見える仕組み
試料に1次電子を当て，試料表面から飛び出してきた2次電子を検出し，画像として見ることができます．細く絞った電子線を試料表面で走査して観察します．
2次電子のエネルギーは小さく，試料の極浅い部分からしか飛び出してこれません．そのため，試料の傾きが大きい部分やエッジ部分では，飛び出してくる2次電子の量が多くなります．検出される2次電子の量に応じて，2次電子の発生量の多い部分を明るく，少ない部分を暗く表現することで，試料表面の形状を表すことができます．
そのため，SEMは平滑な斜面の観察が苦手です．平滑な面では，2次電子発生量が減ります．信号量が少なくなるので，観察像にノイズが多くなります．また，入射する1次電子の数に比べて放出される2次電子の数が少ないため，試料に電子が溜まり，帯電（チャージアップ）しやすくなります．
試料を傾斜させることで，2次電子発生量を増やすことができ，観察しやすくなります．

2次電子の他に，反射電子と特殊X線をそれぞれ検出することが可能です．反射電子は試料を構成している原子に当たって跳ね返された電子で，反射電子の数は試料の組成（平均原子番号、結晶方位など）に依存します．従って，反射電子像は，試料の組成分布表します．また，Ｘ線検出器で特殊X線を検出して，元素分析（EDS）を行うこともできます．

電子源から発生した電子が試料に到達するには，ガス分子と衝突してエネルギーを失わないことが大事です．そのため，SEM本体は真空ポンプで0.01～0.001 Paの真空状態に保ち，観察試料も真空状態で壊れないように水分を除去する等の前処理が必要になります．

蒸着（スパッタコーティング）
導電性がない試料には，スパッタリング（蒸着）によって導電膜をコートします．
試料に導電性がない場合，試料に照射された1次電子が試料内に溜まり，帯電（チャージアップ）が起きます．帯電が起こると，その後の1次電子の照射スピードが遅くなる（観察像が白くなる），進行方向を曲げる（観察像が歪む），跳ね返す（試料以外の観察像が見える）といった影響を与え，正確な観察ができません．試料に帯電した電子で1次電子が減速される帯電部位では，2次電子が多く発生し，白く見えます．
そこで，導電膜で試料を覆い，導電膜-試料台-試料台ホルダ-SEM筐体とを導通させることで，照射された電子を逃がします．1次電子をアースに流すことで，2次電子発生効率を改善し，観察像を良くする効果もあります．

実験室では，白金のスパッタリング（蒸着）を行いました．
スパッタリングは，新空中の電極に高電圧をかけ，発生させたガスイオン（通常は窒素ガス）を，マイナス電極に取り付けた金属（ターゲット）に衝突させ，その金属を「はじき出す（スパッタ sputtering）」ことを言います．はじき出された金属が，観察試料に降り注いで，表面が金属で薄くコーティングされる仕組みです．金属粒子が分散して，試料の側面などに回り込むことで，試料全体をコーティングすることができます．
白金は，試料にコーティングされたときの金属粒子の大きさが小さく（粒状性が良い），2次電子収量が大きいため，SEMサンプルの蒸着によく用いられます．高い倍率で観察するときには，粒状性が良いことが大事であり，なるべくコーティング量を減らしたいので，二次電子収量の良いものが求められます．

分解能
分解能とは，異なる2つの点が分かれて見える限界の距離を指します．倍率を上げて拡大しても，分解能より小さいものはぼやけて見えます．

上の式から，分解能は波長に大きく影響されるため，短い波長の方が分解能向上に有利になります．
可視光の波長が400〜800 nmに対して，電子の波長は0.0025 nmです．よって，電子を使って観察する電子顕微鏡は，可視光を使って観察する光学顕微鏡よりも高い分解能で観察ができます．分解能は，SEMで1 nm程度，汎用のTEMは0.2 nm以下です．

調整パラメータ
加速電圧，スポット径，観察距離，非点収差（スティグマ）を調整することができます．

分解能は，試料上に電子ビームをどれくらい小さなスポット径（プローブサイズ）に絞れるかで決まります．スポット径が小さいほど分解能が高く，より微細なものまで鮮明に観察することができます．小さいスポットを作るには，高電圧にして波長を短くする，対物レンズの焦点距離を短くする，観察距離を短くして焦点距離を短くする（10 mm弱），といった方法があります．
スポット径パラメータを調節して，対物レンズの焦点距離を短くすると，レンズの絞りで遮られる電子が多くなってしまう欠点もあります．凹凸が小さく二次電子が発生しにくい試料の場合は，スポット径を大きくすると観察しやすくなります．

波長を短くすれば，いくらでも小さいものが見えるというわけはありません．レンズの不完全性である「レンズ収差」も分解能を制限します．
レンズによって電子ビームを収束させますが，電子レンズは磁界を利用しており，凸レンズの性質を示します．ビームの円周方向に焦点位置が異なってビームが楕円になる（非点収差）などの歪みが生じます．
非点収差調整は，電子ビームの断面形状を真円にしてスポット径を小さくし，より微細な構造まで観察できるようにする調整です．

レンズの端を通る電子と，光軸を通る電子とで収束位置がずれる球面収差も問題になります．光学レンズでは，凸レンズと凹レンズを組み合わせて（凸レンズと凹レンズで球面収差の 向きが逆），球面収差をキャンセルしていますが，磁界レンズではそれができません．これに関しては，SEM開発の歴史で工夫されてきました．

電子源から発生する電子の密度（電子源の輝度）を高くすることで，高分解能を実現したのが，FE-SEM（電界放出型走査電子顕微鏡）です．
SEMで一般的に用いられている電子源は，W（タングステン）フィラメントを通電加熱して，熱エネルギーで電子を引き出す方式です．一方，電界放出形（Field Emission）は、室温でW単結晶の針の先端に電圧を印加して，強電界で電子を引き出します．Wフィラメントの約1000 倍の高輝度が得られ，1 nm以下の極めて小さい電子スポット径を得られます．FE電子源を動作させるには電子銃を10-8 Paの超高真空にする必要があり，専用の真空ポンプが必要となります．

超撥水性の理論

物質の表面は，内部とは異なる組成，構造になっており，扱いが特別です．表面の原子が内部に存在する原子に比べて，近接原子やイオンからの引力や斥力の受け方が一様でないことに起因しています．

例えば，液体表面の分子は，液体内部と界面の分子からしか分子間力が働かず，それだけでは力が釣り合いません．そのため，大気側に引き合う相手を求める過剰なエネルギーが存在し，これが表面張力となります．このとき，表面の分子は力のバランスが崩れ，液体の表面積が小さくなるように丸まろうとします．つまり，表面張力（分子間力）の大きさによって，濡れ性が変化します．

表面張力は，単位長さの線を引張るのに必要な力（mN/m）と表されるのに対して，固体の表面張力は表面自由ネエルギーと呼ばれることが多く，単位面積の面を広げるのに必要なエネルギー（mJ/m2）と表現され，表面の化学構造に依存します．

固体表面の「濡れ」を評価して比較する方法が，接触角（Contact angle）を用いる手法です．
接触角θは，固体と液体がなす角度のうち，液体を含む側を指します．接触角が大きいほど撥水性が高く（親水性が低く），特に接触角が150°以上になる場合を「超撥水性」と言います．

平滑な固体表面の濡れ性は，固体ー液体ー気体の界面で働く表面張力のつり合いを示すYoungの式が成り立ちます．表面張力γのスカラー量である表面（界面）自由エネルギーの平衡からも，Youngの式を導出可能です．

ここで，液体が固体に付着する前後のエネルギー変化を考えてみます．
付着前後で，新しく固体ー液体間の界面が生成し，γSLのエネルギーを持つようになります．この単位面積あたりのエネルギー変化を記述したのが，Dupreの式です．固体と液体を切り離す際に必要な仕事が，付着仕事WA（Work of adhesion）と定義されます．

表面の組成だけでなく，表面の粗さも濡れ性に影響します．
凸部の方が周囲に隣接する分子の数が少ないため安定性が低く，凹部の方が凸部よりは安定性が高くなります．また，表面粗さは固体ー液体の接触面積を大きくするため，濡れ性や接着強度にも影響を与えます．

Youngの式を表面粗さに対応するように発展させたのが，Wenzelの式です．粗さによる表面積の増加によって，固体表面の界面自由エネルギーが大きくなる考えに基づきます．θ，θ'は，それぞれ平滑面，粗い表面での接触角の値，r（≧1）は見かけの表面積に対する実際の表面積の比です．
Wenzelの式に従うと，平滑面での接触角がθ>90°のものは，表面が粗くなると接触角が大きくなることがわかります．逆にθ<90°のものは，表面が粗くなると接触角が小さくなります．粗さによって表面の親水性・疎水性を強調することができると言えます．
一方で，粗さが大きくなるとrが大きくなりすぎて，式が成り立たなくなるため，比較的表面粗さが小さい場合でのみ成立します．

粗さがより大きくなった場合（rが約1.7以上）には，Cassie-Baxterの式が適応できます．固体表面に液滴を着滴させた時に，界面の凹部分に空気を閉じ込めて，固体と空気の複合界面になると考えます．空気中で液体は接触角180°になると仮定し，固体ー液体界面と固体ー気体界面の面積分率を f:(1-f) とします．

では，接触角が150°以上になる「超撥水性」は，どのような条件で達成されるのでしょうか．平滑平面での接触角と表面エネルギーとの関係は，次のように表されます．
ここで，Φ≦1，最も低い表面エネルギーはCF3末端が並んだ表面で約6 mJ/m2，室温付近の水の表面エネルギーは72.8 mJ/m2，を式に代入すると，接触角は115.2°になります．

平滑な固体表面において，表面エネルギーを低下させることで達成できる最大接触角は115°で，超撥水性の150°以上を達成するには，単に表面エネルギーを低下させるだけではなく，粗さを付与する必要があります．

【滑水性】
Youngの式で濡れを評価することができますが，傾斜した表面における液滴の流動性は「動的濡れ性」として別に評価する必要があります．撥水性（接触角）が同程度でも，水滴の転落性は異なります．

水平に設置した固体の表面に液滴を乗せて，徐々に傾斜させていくと，斜面に対して液滴の下側と上側で接触角が異なります．それぞれを前進接触角（advancing contact ange），後退接触角（receding contact anlge）と呼びます．さらに傾斜の角度を大きくすると，液滴は転落を開始します．液滴が転落を開始する最小の傾斜角のことを，その液滴の転落角（sliding angle）と呼び，水滴の質量や表面性質に依存します．滑水性の解析については，Furmidgeの式が知られています．

前進接触角と後退接触角の差を用いて，転落のしにくさを直接的に比較する指標が，接触角ヒステリシス（contact angle hysteresis）です．前進接触角と後退接触角の差分で表されます．
この値が小さければ，水滴は大きな変形を伴うことなく転落するため，転落しやすい表面であると言えます．つまり，接触角ヒステリシスの小さい表面での液滴の転落角は小さくなります．

Wenzelの式が成り立つ場合，表面粗さが液滴の転落に対して抵抗として作用する一方，Cassieの式が成立する場合は，閉じ込められた空気の寄与によって，表面粗さが大きくなって空気の閉じ込め量が大きくなるほど，液滴が転落しやすくなります．

接触角が160°に近い高度な超撥水性の場合は，転落角が1°前後になり，Cassieの式が適用されるようになります．この時，1°の傾斜では水滴は回転モードで転落し，30°付近の傾斜では滑りモードで転落することが確認されています．一方，同じ超撥水表面でも，接触角が150°前後の場合は転落角が大きくなり，Wenzelの式の寄与が大きくなります．

超撥水性の理論に関するまとめです．

水接触角測定で何が分かるのか

超撥水性には，表面の組成と構造の2つが影響することがわかりました．
今回のハスの葉には，表面の水が濡れ広がらずに丸い水滴になる超撥水性と，葉の上の水滴がコロコロ転がる動的撥水性（水滴除去性能）が確認できます．

静止状態での接触角の測定は，一般的にθ/2法（half-angle Method）が用いられています．液滴が球の一部であることを前提としており，重力の影響を無視できる液滴量で測定します．液滴の半径rと高さhを求め，下式に代入して接触角を求めることができます．
重力変形を避けるためには液滴は小さい方が望ましいですが，表面粗さをほとんど無視するためには，表面粗さのスケールに対して液滴半径のスケールを2桁から3桁大きくすることが望ましいとされています．
θ/2法では，液滴の端点と頂点を結ぶ直線と，固体表面の成す角度を求め，これを2倍しても接触角を求められます．

動的な接触角の測定は，傾斜面を用いない，拡張収縮法（Extension/Contraction Method）でも可能です．
固体表面に接した液滴に，液を注入して膨らませたり，吸引して吸い込んだりすることで，その際の端部が動き出す直前の接触角を測定し，前進接触角と後退接触角を得ます．ただし，この手法は，固体表面の均一さの影響が大きく，得られる値が注入・吸引速度に依存する場合があるため，測定条件には注意が必要です．

一般的な葉の構造

ハスの葉の構造を見る前に，一般的な植物の葉の表面について説明します．

植物の葉は階層構造になっており，表面は疎水性の高い「クチクラ」と呼ばれる脂質膜などに覆われています．進化の過程で，植物が水中から陸上に進出した際に形成されたものと言われています．
この構造は，植物体内からの水の損失を防ぐことや，表面への水滴の付着や外部から組織の内部に水が浸入することを防ぐ役割があるとされています．また，植物が成長する際には組織同士が結合してしまうことを防ぐ潤滑剤としても働いています．

最表面には，C20〜40のアルキル鎖長を持つ脂肪族炭化水素で構成された，クチクラ外ワックス（epicuticular wax）が，結晶や非晶状態で存在しています．身近なところでは，ブドウ表面の青みがかった膜が，このクチクラ外ワックスに起因します．ワックスは葉によって，0.2～100 μmの大きさのさまざまな形状をしています．最も一般的な形態は，薄膜と柱状構造などです．

その下にクチクラ層（cuticle, 英語でキューティクル）があります．多糖類，ワックス，クチン，フェノール化合物で構成され，葉の表面からの深さによって構成物質が異なります．
表面近く「クチクラプロパー（cuticle proper）」には多糖類ヘミセルロースが多く含まれ，表皮の細胞壁近く「クチクラレイヤー（cuticle layer）」には多糖類ペクチンが多く含まれます．
クチンは，エステル結合によって架橋された，C16, C18の鎖長を持つヒドロキシル化脂肪酸の有機溶媒不溶性ポリマーで，クチクラの構造骨格として機能します．
フェノール化合物は，桂皮酸，フラボノイド，フラボノールなどです．ほとんどは UV 光を吸収することができ，クチクラにUV 放射に対する遮蔽機能を付与しています．フェノールの空間分布に応じて UV 反射パターンが作られ，受粉のための昆虫の誘引力が高まる可能性があります．

クチクラ層の下には，表皮細胞（pavement cell）が並んでいて，種によって長方形や多角形，不定形といった様々な形態をとります．葉の裏側に多く見られるのが孔辺細胞（guard cell）で，葉緑体を含む特殊化した表皮細胞です．一対となって気孔を形成します．毛状突起（トライコーム, trichome）が見られる時もあります．

これらの，クチンやワックスの材料は，表皮細胞内部で炭素長が短い脂質（C16, C18）として合成され，トランスポーターに依存して細胞外に運ばれると考えられます．クチンのポリエステル化は細胞外で酵素によって行われているようです．

ハスの葉表面の階層構造

ハスの葉は，多層構造により，自浄作用（self-cleaning）を実現しています．表面の撥水性と自己浄化作用と共に，撥水性や大きな葉自体を雨粒の衝撃から守る耐久性を持ちます．
これらの特徴は，ハスの葉の「ダブルフラクタル構造」に起因すると言われています．

ハスの葉の表面は3段階の階層構造になっています（three-level sub-mm/micro/nano-structure）．具体的には，葉の最表面に，微小乳頭が集合したmm未満の突起（sub-mm papillae），表皮細胞が変形した微小な乳頭突起（micropapillae），ワックスのナノロッド（nano-rod）がハイブリットに存在しています．

ハスの葉表面は，全体的にワックス細管（wax tubules）で覆われています．このワックス結晶による微細な粗さが，表面の超撥水性の基盤になっています．ワックス結晶は小板や管状で，密集しています．疎水性ワックス結晶間の距離は，この間に水滴が侵入するのに必要な圧力を決定するため，密度が高いほど疎水性になると考えられます．機械的な衝撃に弱く，ワックス層の再生には少なくとも数日かかると言われています．
一方で，ハスの葉裏面のワックス結晶のワックス細管は表面に比べてより長く（1〜2 μm），より厚く（約 150 nm），多くの植物で見られる典型的な「ノナコサノール細管」（nonacosanol tubules）です．

微小乳頭突起の直径は表皮細胞の直径よりもはるかに小さく，各乳頭の頂点は楕円形に，根元も曲面なっています．面取りされていることによって，応力が分散されると考えられます．

mm未満乳頭突起は，ハスの葉の中心部には少なく，縁に高い密度で分布し，自己浄化作用に大きく貢献しています．今回の観察で用いがサンプルは，葉の縁側であったため，mm未満乳頭突起がしっかり観察できました．
mm未満乳頭突起は，効果的に液滴を持ち上げ，固体/液体の接触面積をさらに減らすことができます．ハスの葉に水をかけた際にできる気泡も，この乳頭突起部分に生じます．
論文の実験から，蓮の葉の中心から端に向かって，高速で噴射した水に濡れにくくなることがわかりました．また，シミュレーションによると，微小な突起のみの表面は水圧に構造が壊れてしまったり，自重，高い衝撃速度，または表面張力の低下により，容易に液体がくぼみに浸透し，表面を濡らす可能性があります．それに対して，大きなmm未満乳頭突起があることで，乳頭間の隙間に水が完全に浸透するには高い圧力が必要となることがわかりました．
mm未満乳頭突起は，微小乳頭と組み合わせることによってより高い撥水性と，水圧や衝撃に対する耐久性を付与していることがわかります．

撥水性表面は，接触面積の減少よりも，突起のアスペクト比と乳頭密度でのみ最適化されるとも言われます．

ハスの葉の内部構造は，2段階の階層構造になっています（two-level micro/nano-structure）．

一般的な植物では，葉の裏側に気孔があり，葉の表面側が柵状組織，裏面側が海綿状組織になります．柵状組織では主に光合成，海綿状組織では主に気体吸収が行われます．

一方，ハスの葉の内部には中空の中間層があります（hollow sandwich structures）．生物でよく見られる構造で，多孔質の界面で応力を伝達して，上面の応力集中を軽減し，耐久性を高めていると考えられています．
均質な多孔質中間層や，グラデーションに空孔サイズが変化する傾斜多孔質中間層とは異なり，ハスの葉では大小の空孔がハイブリッドに組み合わさった中間層（Hybrid porous interlayer）になっています．

ハスの葉中間層の空孔は，mm未満乳頭突起の下の穴が，微小乳頭突起の下の穴よりも大きいことがわかります．mm未満乳頭突起は先ほども述べたように，表面応力を効果的に軽減し，構造全体の柔軟性を向上させることができますが，荷重がかかると大きな応力が発生しやすくなります．
表面に負荷がかかると，最初にmm未満乳頭突起が影響を受けます．大きなサイズの穴は応力を上面から中間層に伝達し，効果的に表面構造を安定させます．表面と中間層を統合したこの特別なデザインは，構造の機械的安定性を維持するだけでなく，エネルギー吸収効率も向上させています．

また，ハスの葉では気孔が葉の表側に存在します．これは水生植物の特徴です．葉の表面が水で覆われていても，乳頭の谷間にある気孔は固液界面に大量の空気を蓄えているため呼吸することができます．そのため，表皮細胞の直下は一般的な海面組織のようにガスが通れる構造になっています．

ハスの葉全体の構造

表面構造が，葉の中心部と縁で異なるのと同時に，ハスの葉全体の形状にも自浄作用が働く工夫が見られます．葉の上に乗った水滴を落とすには，葉全体で転落角以上の傾きが必要になるためです．

傾斜角がないと，汚染された水や固体粒子が蓮の葉の中央の溝に留まると，有害な微生物が急速に繁殖し，蓮の葉の正常な呼吸や光合成に影響を与え，表面が破壊され，葉の傷みが加速するため，自浄作用は必須です．

葉の端を非対称にカールさせることで斜めの葉を実現していることがわかりました．全体として，中心に集まった水滴が外に流れ出すような形になるようになっています．

どうやってハスの葉の構造ができるか

では，ハスなどの葉表面で見られる凹凸はどのように制御されているのでしょうか．

ワックス
化学分析とX 線回折による結晶構造分析により，ハスのワックスは，ノナコサン-10-オール（nonacosan-10-ol）がワックス組成物全体の16.2 wt%，ノナコサンジオール（nonacosane-5,10-diol など）が64.7 wt%で構成されていることがわかりました．

また，構造は自己組織化によって作られることがわかっています．
自己組織化を促す因子は5種類に分類されますが，今回は特に分子間の相互作用が，秩序の低い状態（溶液中の溶解ワックスまたは無秩序な凝集体）から，最終的により秩序のある状態（結晶）へと導くと考えられています．

構造モデルによれば，ワックスは細管状で，強く湾曲して螺旋状に成長することがわかりました．
真っ直ぐな長鎖のアルカン分子は通常，平行に集合して1分子層構造をとり，平坦な層と規則的な小板状結晶を形成します．
一方で，第二級アルコール（ノナコサン-10-オールを指す）とケトンは側方に酸素原子（OH 基）を持っておりスペースを占有するため，これが分子の高密度化を阻害します．したがって，得られた層は強い曲率を持ち，円形の断面を持つ細管を形成します．極性のOH基は層内に隠されており，CH3基のみが層と細管の表面に現れます．
ワックス結晶を人工的に基板上で再結晶させ，ワックス結晶成長のリアルタイム AFMイメージングを行い，形成メカニズムが明らかになりました．ワックス細管は，小管の長さ方向が成長し始める前に，ロッドレット前駆体が成長して円形の細管の基礎を構築します．
この形状は，ノナコサンジオールの含有量が高いことで，融点が高くなるだけでなく，結晶構造が影響されているためと考えられます．

このタイプのワックス細管は，長さが0.5～3 μm，直径が100～130 nmほどになると言われています．

長い間，クチクラワックスの特徴的な形態とその分布パターンがどう制御されているのかは議論されてきました．例えば，細孔の形成によって制御されているのか，それとも透過性が高まった特定の領域によって制御されているのかなどです．ワックスなどのリポイド化合物はリポイド経路を介してキューティクルを通って拡散することが示されています．イオンはクチンネットワークの極性基で構成された「水性極性細孔」と呼ばれる別の方法を通じて拡散します．ここに関しては基礎知識が足りないため，割愛します．

微細構造
撥水性植物200種に対して，植物表面の微細構造特徴を調査した文献によると，永続的に撥水性のある葉は，特徴的な凸状から乳頭状の表皮細胞と非常に緻密なエピクチクラワックスの層で構成されていることがわかりました．
撥水性は草本種に集中しており，樹木にはほとんどありません．さまざまな生息地の中でも，亜熱帯地域や湿地などに多く見られるようです．

非ワックス状の葉からワックス状の葉への移行の明確な例が，Marsilea mutica（デンジソウの仲間）と Myriophyllum brasiliense（オオフサモ）で見られました．M. mutica では，浮遊する葉にはワックスがなく湿潤性がありましたが，水面から出てくる葉や陸上に生える葉は撥水性でした．Myriophyllum brasiliense では，浸水部分の葉表面は滑らかですが，空気中に出てきた部分はワックス小板で密に覆われており，撥水性がありました．
このように，水に近い環境かどうかによって，葉表面の撥水性が付与されることがわかります．

水生または半水生植物の生息地の特徴として，次が挙げられます．

・油性または両親媒性物質 → 光合成，気孔が遮られる
・堆積や飛沫によって引き起こされる塵や土壌粒子 → 表面温度上昇
・高湿度，病原性微生物 → 感染
・開けた場所での強い太陽光 → UV，放射線など
・塩分 → 強いストレス

このような環境で生息するために，自浄作用が必要になります．
雨が降るたびに表面がきれいになる撥水性の表面を生成することで，病原菌の発芽に必要な水分の付着を妨げ，汚染物質を取り除くことができます．

そこで，傷つきやすいワックスだけでなく，ドーム状や乳頭状の表皮細胞があることで，細胞の先端部分のみが破壊され，撥水性能は変わりません．したがって，撥水性表面は，損傷を受ける可能性のある領域を最小限に抑え，機能の維持に不可欠な領域が保護されるように最適化されていると考えられます．

イネやヤマモガシ目の植物にも乳頭突起が見られ，研究されています．特にヤマモガシ目の植物については，乳頭突起下にある葉肉に伝わる光の量を減らすことによって光防御の役割があると考えられています．また，気孔のすぐ近くにあることから，気孔周囲のガス交換の調節の役割もあると言われています．

他の植物との比較

ハス（N. nucifera）は，ヤマモガシ目（Proteales）ハス科（Nelumbonaceae）ハス属 （Nelumbo）の植物です．ヤマモガシ目とは，街路樹によく植えられるプラタナスや，マカダミアナッツの実をつけるマカダミアなどが属する樹木の多い目です．
クチクラがあることからも分かるように，ハスは進化の過程で植物が水中から陸上に進出した後の種になります．つまり，陸上から水中に生息場所を変えた植物です．このように，元々は水中で生活していた植物が進化して陸上に上がるも，再び水辺に戻ってきた植物のことを水生植物（aquatic plants）と言います．特に，根は水底にあって，茎や葉，花は水上にある水生植物を「抽水性植物」と呼びます．

他の葉のSEM像および水接触角を測定し，ハスの葉と比較しました．今回は身近に見られる，ドクダミとツツジの葉を採取しました．
ドクダミは，モクレン類（Magnoliids）コショウ目（Piperales）ドクダミ科（Saururaceae）ドクダミ属（Houttuynia）の植物です．ツツジは，キク類 （asterids）ツツジ目（Ericales）ツツジ目（Ericales）ツツジ目（Ericales）の植物です．ハスの近縁ではないですが，どちらもよく見る植物かと思います．

それぞれの接触角は，ドクダミが77°，ツツジが95°，ハスが164°です．どの植物も葉の表面は疎水性に近い性質を示しました．

葉表面の構造をSEMで観察してみると，ドクダミは毛状突起が見られ，それ以外はクチクラの結晶がランダムに並び，平滑な表面になっていることがわかります．ツツジには毛状突起は見られず，表皮細胞の外枠部分がくぼんだ表面が見られました．このパターンも葉の表面疎水性に効いていると考えられています．
このように，ハスの葉の表面構造は独特のものであることがわかります．

撥水性で有名なのは，バラの花びらです．
花びらに落ちた水滴は丸まって弾かれますが，ハスとは違い，花びらが揺れてもなかなか落ちることはありません．撥水性を持つものの，滑水性は持たず，逆に接着性が高いことがわかります．これは「Petal Effect（ペタル効果，花弁効果）」と呼ばれています．

ここで，採取してきたバラの花弁をSEMで観察してみます．

バラの花弁はハスの葉表面よりも突起構造が小さく，密にシワが見られるため，超撥水性の理論で紹介したWenzelの式が適応される場合と考えられます．Wenzelの式が適応される場合は表面粗さが液滴の転落に対して抵抗として作用することから，転落角が大きくなる，つまり水滴が滑りにくくなって，葉に対しての水滴の接着性が良くなると説明できます．

ハスの葉と同様に，花弁の裏と表で構造が大きく違うのは興味深いです．

余談ですが，ブロッコリーのつぼみでも撥水を確かめられるようです．ハスと同様に，「表面のでこぼこ」と「油脂によるコーティング」が大事らしいとのこと．

身の回りの応用

ヨーグルトの蓋裏

ロータス効果の応用で特に有名なのは，ヨーグルトの蓋裏でしょう．さまざまなヨーグルトの蓋裏の構造と撥水性を確認しました．

特にビヒダスの4ポットヨーグルトでは，「TOYAL LOTUS®」が用いられていることがわかります．一般的なヨーグルトの蓋材は，PETフィルム / 印刷 / 接着剤 / アルミ箔 / アンカーコート剤 / ポリエチレンコート / ホットメルトから構成されています．このホットメルト表面に，フラクタル構造を付与して撥水性を実現しています．

また，表面が平滑だったヨーグルトの蓋にはヨーグルトがくっつき，微細構造による撥水性が感じられました．

400gのプレーンヨーグルトでも，蓋裏を観察しました．
こちらの場合は，微粒子による構造的な突起ではなく，パターン化された凸面が押し出されているのがわかります．

他にやってみたいなと思っているのは以下です．

• カップ麺やカップスープなどの蓋裏の観察

• 人工的な微細凹凸コーティングの実験および研究のリサーチ

• FLOATUSブランドの傘の観察

動画

ここまでの内容ダイジェスト動画です．
https://youtu.be/YeGK9CHa8w0

参考文献

1. 植物Q&A クチクラの由来
   https://jspp.org/hiroba/q_and_a/detail.html?id=4708

2. 葉の表面構造と撥水性の発現機構ーイネの葉における微細構造とロータス効果ー
   https://bsj.or.jp/jpn/general/bsj-review/BSJ_Review6B_102-111.pdf

3. 生物の多様性に学ぶ 新世代バイオミメティック材料技術の新潮流
   https://core.ac.uk/download/pdf/236666255.pdf

4. Probing the Molecular Structure and Orientation of the Leaf Surface of Brassica oleracea L. by Polarization Modulation-Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy
   https://doi.org/10.1093/pcp/pcz063

5. The biophysical design of plant cuticles: an overview
   https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2010.03553.x

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8. Chemistry and Crystal Growth of Plant Wax Tubules of Lotus (Nelumbo nucifera) and Nasturtium (Tropaeolum majus) Leaves on Technical Substrates
   https://doi.org/10.1021/cg060035w

9. The hydrophobic coatings of plant surfaces: Epicuticular wax crystals and their morphologies, crystallinity and molecular self-assembly
   https://doi.org/10.1016/j.micron.2007.11.010

10. A critical review on robust self-cleaning properties of lotus leaf
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11. Design of flexible multi-level topography for enhancing mechanical property
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12. Robust Anti-Icing Performance of a Flexible Superhydrophobic Surface
    https://doi.org/10.1002/adma.201602480

13. Hybrid Topography of Lotus Leaf under Hydrostatic/Hydrodynamic Pressure
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14. Design of a flexible surface/interlayer for packaging
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15. Characterisation and distribution of water‐repellent, self‐cleaning plant surfaces
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16. Rice Stomatal Mega-Papillae Restrict Water Loss and Pathogen Entry
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17. Solar radiation as a factor in the evolution of scleromorphic leaf anatomy in Proteaceae
    https://doi.org/10.3732/ajb.92.5.789

18. 西川浩之「ヨーグルトが付着しない包装材料のはっ水表面の開発」（2016年）
    https://www.jstage.jst.go.jp/article/sfj/67/9/67_482/_pdf/-char/ja

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