この画像を大きなサイズで見る水より重い物は沈み、軽い物は浮かぶ。一定の体積あたりの重さを密度と言うが、基本的に物の密度が水より大きい場合は沈み、小さい場合は浮かぶのだ。なので水より密度の高い金属は沈んでいくはずなのだが、新たに開発された金属は水に浮くという。
アメリカ・ロチェスター大学の研究グループが開発した水に浮く金属の秘密は、ミズグモやヒアリからヒントを得て作られた超撥水性なのだそうで、無理やり水に沈めても浮かんでくるし、穴をあけたり壊したりしても沈むことはない。
これを使えば、絶対に沈むことのない船や穴があいても沈まないデバイス、あるいは長期間海上に放置されても耐えられる監視機器なんてものが作れるかもしれないそうだ。
蜘蛛やアリから着想を得た超撥水性の金属
『ACS Applied Materials and Interfaces』（11月6日付）で発表されたその金属構造は、レーザーをわずかフェムト秒（10-15秒）だけ閃かせることで、表面にミクロスケールやナノスケールのパターンを刻みつけて作り上げる。
刻まれた溝には空気がたまるために、表面は超撥水性を発揮。平たく言えば、水を弾くのだ。この性質のために、普通なら沈んでしまう金属が水に浮かぶようになる。
ところが実験では、ずっと水に沈めておくと徐々に超撥水性が失われてしまうことが判明した。
一方、蜘蛛やアリの中には水面にずっと浮いていられる仲間がいる。
たとえばミズグモは同じく超撥水性を備えた足やお腹に空気を取り込み、それを水中に運ぶことで、空気で満たされたドーム状の巣を作る。
同様に、ヒアリも超撥水性の体に空気を捕らえて集団で”イカダ”を形成し、水に何週間も浮いていることができる。
多面構造を施した金属を組み合わせることで超撥水性を実現
研究グループのグオ・チュンレイ氏がそんな彼らの様子から気づいたのは、超撥水面を多面構造にすることで大量の空気を取り込めるということだった。
そこで、2枚のアルミプレートをレーザー処理した面が内側になるよう並行に組み合わせ、ハンバーガーのような構造を作ってみた。
こうすると、超撥水面がすり減ることを防止できるし、隙間にたっぷりと空気をたくわえておくことができる。
この画像を大きなサイズで見る左：水面に浮かぶ超撥水性金属構造、右：重りで水中に沈められた超撥水性金属構造。2ヶ月経過後、重りを外すときちんと浮かび上がってきた。
image credit:University of Rochester
両アルミプレートの隙間が適切な距離であれば、超撥水面が水の侵入を防ぐために、プレートを無理やり水に沈めても、手を離せば何事もなかったかのようにぷかりと浮かんでくる。
この画像を大きなサイズで見る左：2枚のプレートの適切な隙間を把握するための実験。隙間にはプレートを浮かせるだけの十分な空気が保持されなければならない。右：3ミリ穴6個と6ミリ穴1個をあけても浮力は失われない。
image credit:University of Rochester
様々な金属や素材にも応用可能
なおレーザーによる表面処理はアルミだけでなく、どんな金属にも使えるし、金属以外の素材でも応用可能だとのこと。
最初は2.5 × 2.5センチの範囲を処理するのに1時間かかったそうだが、現在ではそれも改良されて商業利用向け大量生産の実現性も高まっているという。
生物の構造や機能、生産プロセスを観察、分析し、そこから着想を得て新しい技術の開発や物造りに活かす科学技術はバイオミメティクスと呼ばれており、様々な生物には人間が技術を開発するうえで、思いもよらぬヒントが隠されているのだ。
References:Spiders and ants inspire metal that won’t sink : NewsCenter/ written by hiroching / edited by parumo
ほえ～しゅごいよぉ～
体積に対する表面積の割合による．
船はそのままでは無理ちゃうか？
汚れや傷でアウト
※2
フジツボが付くかどうかやな
※11
フジツボを捕食する金属を作ればいいわけだな
※2
※18
撥水するわけだから “水中” に触れることがない。
だから、水中生物が着生する事も無いんではないか？
※31
船が海上に置かれる状態である以上、必然的に自重によって船底は水中には触れるでしょ
これが船に使われるようになってきたら形自体も進化するな。
「米研究者諸君の努力は素晴らしいと言おう…しかし、君たちがいる場所は既に我々が200年前に通過した場所だッ！(水蜘蛛の術)」By.甲賀忍者
浮力よりも汚れ防止とか水の抵抗を減らす用途とかの方が使い道ありそうな気がするけどなぁ
そりゃこういう生物だって自前で何度もコーティングし直してるはずだから一度で半永久みたいな考えは甘すぎる
超撥水は船が水から受ける抵抗を凄く小さくしてくれるらしいから燃費の向上には繋がるけど、実験のように荷重がかかれば必ず沈むから、これだけじゃ沈まない船は作れないね。水上を走る飛行船みたいにすればあるいは。
なお刻み付けられたパターンを拡大してみると「日本国 一円」の文字が確認されたという
イメージで言うと「スッカスカな金属」に思えるんだけど、強度は大丈夫なのかな？
課題は強度と防汚性かな？
真水以外の液体に対しても同程度の性質を維持できるのかも気になる。
※10
基本的には防汚性はあがるハズでしょうが、油のような粘度の高いとか、表面張力の小さい液体に対してどうなるでしょうね。
水中で潜水艦とか、魚雷とか、その辺にも有効そうだし、進行方向の先頭で泡を出すことで空気をかんで移動抵抗が小さくなることが期待できますね。うまくすると音も吸収しそう。
この時代が百年前に誕生していたらタイタニック事故起きておらず
多くの被害者らも普通の人生送ってただろうな
先は長いかもしれないが、偉大な一歩となる事を願う
海上流通やら設備施工やら人命救助やら、利用価値は計り知れないはずだから
これ使った船
スピード速くなるかもね
要は水の上を滑る様に
動くわけだから
※14
これを使うと、水に対する抵抗力は確実に小さくなると思う
以前の記事で、船の底面全体に空気の泡粒を発生させて
水の抵抗力を下げる事によって燃費を良くする船が紹介されていた
これはそういう働きを素材自体が持っている訳だから
燃費や速度の向上には絶対に役立つと思うよ？技術発展が楽しみだ
水道管の内側をこれで表面処理してみると、いろいろ捗りそう。
船の場合塗料を上から塗るわけだから塗料の方に何かするべきなのでは？
ミノフスキー粒子を使っているに違いない。
船だとフジツボやイガイが張り付いたら意味なしだな
スマホだとか小物の水没軽減にはなりそうだけど
今までなかったのか・・・？難しい発想ではないと思うが
※19
超微細構造による撥水処理自体はすでに色んなところで実用化されてるよ。
身近な例だとたとえばカップヨーグルトの蓋なんかも最近はこの処理がされてるものが増えて、そういうものは蓋の裏にくっつく事がほぼなくなった。
今回のはそれのさらなる発展系。
※32
カップヨーグルトのカップの壁面にも応用してくれたらスプーンでガシガシこすって食べなくてよくなるんだけどなぁ。傾けるだけで食べれたり。
ちなみにあの蓋にエタノール吹きかけたら覿面に撥水性が失われました。
やっぱりいろんな環境でテストする必要がありますね。
※35
ヨーグルトパックの蓋の裏に、
なんでエタノール吹きかけちゃったんだよ。どういう状況？
汚れないお皿とかフライパンとかできたらいいな
樹脂やプラスチック系素材でも出来るなら、凄まじい浮力を得られそう
船とは言わずにこれで家を作って洪水や津波の時どうなるかなと思ったけど、木の家でもあまり浮かばないのに無理かな
木造船は沈没しないのか？
いや沈む
お風呂ゆ太郎みたいなもんかな？
ふーん
１トンの鉄の塊でやってみてよ
私は水に浮く自動車が欲しい！
津波や水害の時にも、常に乗員を守れる自動車が作れそう！
撥水の処理だけじゃなくてこの形がキモだよね
材料系のバイオミメティクスは今熱い。これには数年前にさまざまな生物のナノ構造をありのままに観察できるようになった技術的なブレイクスルーが大きく貢献している。
ナノ構造を観察するには光ではなく電子を使った電子顕微鏡が必要だが、電子線を扱う以上、観察対象を必然的に真空中に置く必要があり、それは生物的には体内のあらゆる水分が沸騰蒸発して組織を破ることを意味していて、つまり死を意味するものだった。従来、生物のナノ構造の写真はこうした破壊の残骸を見ていた訳で、限定的な情報しか得られなかった。
しかし、一部の昆虫などは真空中でも一定時間体内の水分を失わずに生存できることが発見され、その体表面を模した”ナノスーツ”という分子膜をコーティングすることで他の多くの生物も生きたまま電子顕微鏡観察できるようになった。
もちろんナノスーツによって表面は隠れてしまうが、分子膜の寸法は薄いので触覚や細かい毛の動きなども見ることができる。人間で言えば薄い全身タイツを着ていて筋肉の動きや乳首までもが浮いて見えてる状態、あるいは五本指靴下を履いて指の動きが一本一本見えてる状態、もしくは頭から小麦粉をぶっかけられても目尻のシワやほうれい線や指紋までもが見えてる状態、みたいな感じ。
ナノスーツ自体もバイオミメティクスから生まれた技術。それがさらにバイオミメティクスを熱くし始めている
俺の頭では中空の金属製構造物とどんな違いがあるのかわからなかった…
空気の層を挟み込んで、その浮力で浮かぶってんなら、空気の保持方法が違うだけで既存の船とおなじ理屈ではないの？
塩水に対する金属の腐食には、どう対応するんだろ？ 二重構造だと内側のメンテナンスが大変だろうな～。 塗料の上から処理して超撥水性が長期間保てるなら、船底に付着するフジツボや貝類などにも有効だろうから、それらの生物を殺すための毒物を塗料に混ぜなくて済むので海洋汚染防止にもなるから、ぜひ頑張って欲しい。
素晴らしい。上手くすれば水難事故が激減するかも。
次は墜落しない飛行機をたのんます。
無理やり水に沈めることが可能なら過積載で沈んじゃうじゃん
こういう素材で作った船を、バミューダ海域で就航させたら、
事故は減るか、変らないか、(増えはせんよな？)少し興味が有る
そして、その時のパ○モたんの反応は？も少し興味が有る
※40
バミューダの事故の原因が大量ガス放出による一時的な浮力喪失なら事故自体は避けられないと思う。
ただ、事故後に再浮上する確率は「ちょっとだけ」上がるかもしれないが。
これで航行時のエネルギー効率も上がったりするの？
運搬コスト下がったら良いなあ
結局はこれの処理コストと効果を天秤にかける感じだよな
2ヶ月水道水なら大丈夫だろうけど、海水ならどうなるかわからんし
もっと汚れた化学物質大量の海ならどうなるか
この技術を使えば、確かに理屈的には沈まない船を作ることが可能だろうが、それは実用にはならない。水が入り込まないようにするためには、撥水加工された金属の板の間隔をある程度以上広げるわけにはいかない。つまり船体の中身全部が数ミリ間隔の金属板で仕切られた構造の船になるわけで、物や人を収容するスペースが無い「浮くだけ」の存在であり、役立たずｗ
船殻だけにこの技術を使った普通の構造の船を作っても、船殻が破損すれば中の空洞に普通に浸水するし、通常の船と比べて少し沈み具合が小さくなる程度になるだろう。
そもそもこの方式は、構造全体を水に浮く密度に収めるためには、金属板を厚くするわけにはいかないのだから、素性的に強度を持たせることができなくて、船殻などに使えるかどうか。