超撥水コーティング

雨の日に池のハスの葉を見ると、雨水はしみ込まず、ビーズのようにころころ転がり落ちていきます。葉の表面がガラスのようにつるつるだから水が滑るのだと思いがちですが、実はまったく正反対です。

電子顕微鏡でハスの葉の表面を何万倍にも拡大すると、驚いたことに、ごつごつした突起がびっしりと立ち並んでいます。髪の毛よりずっと細いマイクロメートル単位の丘の上に、さらにその数十〜数百分の一というナノメートル単位のワックスの突起が二重に生えているのです。

この細かな突起のすき間には空気が閉じ込められます。水滴がハスの葉に落ちても、葉の表面に直接触れるのではなく、突起の先端とそのすき間の空気の層の上にふわりと乗るかたちになります。まるで目に見えない空気のクッションの上に水滴が浮かんでいるようなものです。

超撥水コーティングの表面では、水滴は広がることなく、ほぼ完全な球の形を保ちます。表面がほんの少し傾くだけで、水滴は滑らずにボールのようにころころと転がり落ちます。

このとき、とても面白いことが起こります。ふつうの窓ガラスに雨が降ると、土ぼこりが水と混ざって、汚れた水あとやシミが残ります。ところが超撥水の表面では、転がる水滴がホコリの粒を磁石のように引き寄せ、一緒に運び去ってくれます。

ホコリが表面にくっつく力よりも、水滴にくっつく力のほうがずっと強いからです。そのおかげで、一度雨に当たるだけでホコリがきれいに流れ落ちるセルフクリーニング効果(自己洗浄効果)が成り立ちます。洗剤を使わなくても、外壁や太陽光パネルをきれいに保てる秘訣です。

もう少し正確に言うと、超撥水性は、油を塗るように水をいやがる物質をただ塗るだけでは、決して作れません。化学的な性質と、ナノサイズの物理的な構造が、必ず組み合わさる必要があります。

水滴が床面とつくる角度を「接触角」と呼びます。接触角が90度未満なら水が広がる親水性、90度を超えれば水をはじく疎水性です。けれども、どんなにつるつるで水をいやがる油性の表面でも、接触角の限界はおよそ120度前後にとどまります。

そこへ細かなナノ突起の構造を刻み込み、水滴の下に空気の袋を閉じ込めて初めて、接触角は150度以上へと跳ね上がります。物理学では、このように水滴が空気の層の上に支えられている状態をカッシー・バクスター(Cassie-Baxter)状態と呼びます。つまり超撥水技術とは、自然の知恵をまねた精密な構造設計の勝利なのです。