水中でも空気をキープする驚きの新技術：クモから学ぶ未来の科学

みなさんは、水や空気がどのように振る舞うかを考えたことがありますか？

たとえば、水がガラスの表面を滑るように流れるか、広がるかは、表面張力や接触角といった物理的な現象によって決まるんです。

今回ご紹介する研究は、この現象をうまく利用し、空気が液体に浸っても長期間保持される仕組みを解明しようという挑戦なんですね。

実は自然界には、空気を長く保持できる生き物がいます。たとえば、クモやカメムシが体表に空気を取り込んで利用する仕組みがその代表例なんです。

この研究では、そんな生物たちの仕組みをヒントにして、「バイオミメティクス（自然模倣技術）」を使って、水中でも空気を効率よく保持できる技術の開発に取り組んでいます。

空気保持の仕組み

研究チームが注目したのは、微細な「リタントキャビティ（再入隅部）」という構造です。

この構造は、円形や四角形などさまざまな形状があるのですが、特に「ダブルリタントキャビティ（DRC）」と呼ばれる二重構造が空気を効果的に保持できることがわかったんですね。この構造は、水の侵入を防ぎつつ、空気を閉じ込める働きを持っているんです。

実験では、DRCとリタントキャビティ（RC）を比較しました。円形や四角形のキャビティを持つシリカ表面を水に浸して空気の保持力を測定した結果、円形のDRCが最も高い保持力を示したんです。

さらに、DRCはRCに比べて6〜18%も高い耐圧性を持っていることがわかりました。この耐圧性が高ければ高いほど、空気を長く保持できるんです。

さまざまな表面形状（参考文献より引用）

キャビティの特性と水との相互作用

では、この空気保持の仕組みが水の浸透とどのように関係しているのでしょうか？

実験では、キャビティ内に空気がどのように閉じ込められるのかを、接触角とキャビティの形状に注目して調べたんです。接触角とは、液体が固体表面に接触する角度のこと。撥水性の表面では接触角が大きく、親水性の表面では小さくなります。

たとえば、超親水性のシリカ表面では、キャビティ内に水がすぐに浸透し、空気が数秒で失われてしまったんですね。

でも、接触角が約40°の親水性シリカ表面では、キャビティ内に空気が約9日間も保持されました。接触角が大きいほど、水がキャビティに浸透しにくくなり、空気を長く保つことができるんですね。

さらに、キャビティ内での水蒸気の凝縮にも注目しました。水がキャビティ内で蒸発し、凝縮することで小さな水滴を形成します。この水滴が徐々に成長し、最終的には空気を押し出してキャビティが水で満たされてしまうんです。

シリカ表面とキャビティ（参考文献より引用）

応用と未来の展望

この技術は、例えば船の表面に応用することで、摩擦抵抗を減らし燃費を向上させる「ドラッグリダクション技術」に役立つ可能性があります。

空気の層が表面を覆うことで、水との接触が減り、摩擦が大幅に軽減されるんですね。また、この技術は水を透過しないフィルターや、油と水を分離する膜などにも応用できるかもしれません。

今回の研究では、キャビティの形状やサイズを調整することで、空気保持の効果をコントロールできることがわかりました。

特に、キャビティの直径を小さくすることで、さらに高い耐圧性を得ることができるんです。これは、将来的にさまざまな産業分野での応用が期待される技術と言えるでしょう。

まとめ

この研究は、自然界の仕組みを真似て、空気を長期間保持する技術の可能性を示しています。

リタントキャビティやダブルリタントキャビティといった微細構造を使って、水の侵入を防ぎながら空気を効率的に保持する方法が明らかになったんです。

この技術は、ドラッグリダクションやフィルター技術など、多くの分野で活用される可能性があります。自然と科学を結びつけて、持続可能な未来を実現するための一歩となるかもしれませんね。

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参考文献

Biomimetic coating-free surfaces for long-term entrapment of air under wetting liquids