地球上の生命の鍵である水は、時に最大の敵となることがあります。特に金属との相互作用においては顕著です。空気中の水分は金属表面に錆や腐食を発生させ、凍った水は、例えば飛行機の翼のように、一部の金属を一時的に無価値にしてしまうことがあります。
そのため、多くの人が金属を疎水性、つまり撥水性にする方法を模索してきました。通常は化学添加剤でコーティングする手法です。ニューヨークのロチェスター大学の研究者たちは、金属を水の侵入から守るより効果的な方法を発見したと述べています。それは、レーザーを照射するだけなのです。
ロチェスター大学の光学物理学教授である郭春蕾博士は、長年にわたりレーザービームが金属材料に及ぼす影響を研究してきました。かつてはレーザービームを用いて金属を親水性にし、水を引き寄せる性質を付与していました。現在、郭博士と同僚のアナトリー・ヴォロエフ氏は、その逆の手法を考案し、短パルス高強度レーザービームを用いて金属表面の構造を変化させる方法を考案しました。その結果、高度な撥水性を持つ金属が誕生しました。
レーザーが生み出すエネルギーは北米全体の電力網とほぼ同じです。
「金属表面に短パルスレーザーを照射すると、滑らかな金属表面が、様々なマイクロスケールおよびナノスケールの構造で覆われた高度に構造化された表面へと変化します」と郭氏は説明する。「そして、これらの構造がそれぞれ異なる撥水性を持つのです。」
変化の鍵はレーザーのパワーにある。郭氏とヴォロエフ氏は、金属表面にレーザーをフェムト秒（1000兆分の1秒）だけ照射する。しかし、高強度レーザーは非常に強力であるため、その短時間で生成されるエネルギーは北米の電力網全体とほぼ同じになる。この膨大な量の熱とエネルギーが金属を劇的に変化させ、表面に微細な構造を形成するのだ。
「この新しい金属表面を高倍率顕微鏡で観察すると、階層構造になっているのが分かります」と郭氏は言う。「マイクロスケールのグループがあり、その上にナノスケールの構造があります。ナノスケールでは、まるで雲のように、たくさんの突起と窪みがあるように見えます。」
疎水性金属が水をはじく様子を以下のビデオでご覧ください。
郭氏によると、金属を疎水化するこの方法は、テフロンのような化学コーティングよりもいくつかの点で優れているという。まず、レーザーで生成されたこれらの金属は、現在入手可能なあらゆる種類のコーティングよりもはるかに優れた撥水性を持つ。一般的なノンスティックフライパンのようなテフロンコーティングされた金属表面から水分を除去するには、70度の傾斜が必要となる。しかし、このレーザー加工された金属では、わずか5度の傾斜で水を滑り落ちさせることができる。
さらに、このレーザー技術には追加の材料は必要ありません。テフロンは加熱されると分解し始め、金属表面から剥がれ落ちます。いくつかの研究では、この劣化が人間や鳥類の健康問題につながると指摘されています。しかし、郭氏の金属変化は一時的なものではなく、剥がれることもありません。レーザー光が金属の構造を根本的に変化させるのです。「この撥水性構造は、私たちの金属表面に本来備わっているものです」と郭氏は言います。「これはコーティングではないので、時間の経過とともに剥がれ落ちる心配はありません。」
研究チームは、スクランブルエッグの調理を容易にするだけでなく、これらの金属材料の様々な用途を想定しています。これらの金属は非腐食性で、長期間にわたって強度を維持し、自動車や飛行機の翼に氷が付着するのを防ぐなど、輸送分野においても多くの利点をもたらします。これらの材料を用いることで、船舶の速度向上も期待できます。疎水性金属で船体を造ることで、水との摩擦や海上抵抗を低減できます。
しかし、さらに重要なのは、郭氏がこの金属の発展途上国における応用に期待を寄せていることです。疎水性金属は、汚れを洗い流すのに大量の水を必要としなくても、より長く清潔な状態を保つことができます。研究者たちは、レーザー加工した金属片に塵の粒子を投げつけることでこれを検証しました。すると、わずか数十滴の水滴で汚れがすべて洗い流されるのがわかりました。この自己洗浄特性は、清潔な水が不足している発展途上国のトイレを清潔に保つのに非常に役立つ可能性があります。
「この疎水性表面を水質汚染の防止に応用できることに、私たちは非常に期待しています」と郭氏は語る。「表面に水が付着しないようにすれば、微生物や生体物質を含む水も表面で生き残ることができなくなり、その場所を清潔に保つことができます。」
しかし、郭氏によれば、これらの金属が大量生産されるまでには、まだ道のりは遠い。1インチ四方の疎水性金属片を作るには、レーザー加工で1時間かかる。つまり、防水性のある自動車や金属製のトイレが実現するまでには、まだ時間がかかるかもしれない。
研究者たちはその研究結果を応用物理学ジャーナルに発表した。
