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クモとアリをヒントに、沈めても浮き上がる金属構造を開発

University of Rochester photo / J. Adam Fenster

アメリカのロッチェスター大学光物理学科教授のChunlei Guo氏は、ミズクモやヒアリからアイデアを得て、非常に撥水性が高い金属構造を作ったと発表した。この構造物は、水の中に沈めようが、損傷されようが、水の中に沈まず、浮き上がってくる。

研究成果は『ACS Applied Materials and Interfaces』に、論文「Highly Floatable Superhydrophobic Metallic Assembly for Aquatic Applications」として、2019年11月6日に発表されている。

金属構造の作製には、レーザーのフェムト秒バーストという画期的な手法を採用。複雑なマイクロおよびナノスケールパターンを金属の表面にエッチングし、金属表面に非常に高い疎水性を保ち、空気を閉じ込められるようにした。

初期の段階では、構造物を長時間水に浸すと、表面の疎水性が失われたという。そこで、Guo氏らは水の表面や水面下で長く存在できるミズクモやヒアリに注目した。

例えば、ミズクモは、水中でドーム型の「ベル」と呼ばれるクモの巣を作り、疎水性のある肢と腹部の表面を通じて運ばれる空気を、その巣の中に蓄える。ヒアリの場合は、疎水性のある体の間に空気を閉じ込め、イカダを作り出す。

クモやアリがいかに空気を空間に保つかを詳しく調べ、理解を深めた結果、非常に高い撥水性(superhydrophobic:SH)を持つ表面を利用して空気を閉じ込めることが、沈まない構造物の開発に重要だと、Guo氏は気付いた。そして、実際にSH表面を使用した浮力デバイス、つまり沈まない構造体を開発するに到った。

研究者らは、SH表面をもった2つのアルミプレートを平行に配置。この時、SH表面が内側を向くように並べ、外部の摩耗や摩擦からSH表面が守られるようにした。2つのプレートの間には、構造物が浮くのに十分な空気量を保有できる空間を保つ距離が確保されている。水中に沈んでも、SH表面がこの空間へ浸水を防ぐ仕組みだ。

実験では、2カ月間、金属構造物を強制的に水没させた。その後に構造物を水中で開放すると、即座にSH表面が水をはじき、構造物は水面に浮き上がってきた。さらに、構造物に針を刺して穴を開けて損傷させても、空気を確保できるSH表面が残っているので構造物は沈まなかった。

今回、金属材料にはアルミニウムを利用したが、使用したエッチング技術は他のあらゆる金属に適用され得る。当初は1インチ平方(2.54cm平方)の面積をエッチングするのに1時間かかった。しかし、7倍のパワーを持つレーザー装置を使い、エッチングプロセスを高速化することで、将来的には商用利用への拡大も狙っているという。

fabcross for エンジニアより転載)

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