家事を楽にするナノ表面技術 ～ある研究者が追う「きれいが続く」夢～
毎日の「困った」を科学の力で解決したい
シンクについた水アカ、窓の結露、お風呂場のカビ…。私たちの身の回りには、いつも「汚れ」との戦いがあります。毎日の家事は大変ですが、もし、汚れがつきにくく、ついたとしてもサッと拭くだけできれいになるような素材があったら、私たちの暮らしはもっと快適になるのではないでしょうか。
そんな、まるで魔法のような表面を作り出す研究に情熱を傾けている研究者がいます。〇〇大学の△△先生です。先生は、ナノテクノロジー、つまり物質をごくごく小さな、ナノメートルという単位で操る技術を使って、「きれいが続く」夢の表面材の実現を目指しています。
偶然の発見から始まった「表面」への探求
△△先生が表面科学、特に汚れにくい表面の研究に興味を持ったのは、大学院生の頃だといいます。実験で使うガラス器具を洗っていた時、洗剤を使ってもどうしても落ちない頑固な汚れに直面し、ふと「なぜ汚れはついてしまうのだろう？どうすればつかなくなるのだろう？」と疑問に思ったのが最初のきっかけだったそうです。
「それまで、モノの中身の性質には関心がありましたが、表面の性質については深く考えたことがありませんでした。でも、よく考えてみると、私たちがモノに触れるとき、最初に触れるのは表面ですし、汚れがつくのも表面です。表面の性質が、モノの使い勝手や寿命を大きく左右するのだと気づいたんです」と先生は当時を振り返ります。
特に先生の心を捉えたのは、自然界に見られる驚くべき表面機能でした。例えば、蓮の葉は表面に微細な凹凸構造を持つことで、水滴を玉のように弾き、一緒に表面の汚れも運び去ります。ヤモリの足の裏は、これもナノスケールの構造によって壁にピタッと吸着できます。こうした自然の仕組みを知るにつれて、「人間の手で、ナノの技術を使って、自然界に負けない、あるいはそれを超えるような機能的な表面を作り出せないか」という思いが強くなっていったそうです。
ナノスケールで表面を「デザイン」する
△△先生の研究室では、主に物質の表面にナノスケールの構造や化学的な性質を精密に制御することで、汚れにくい、あるいは特定の機能を持つ表面を作り出す研究を行っています。
「私たちが普段見ている表面は、マクロに見ればつるつるに見えても、ナノの世界では全く違う顔をしています」と先生は説明します。「まるで高い山があったり、深い谷があったり、あるいは規則正しいナノの絨毯が敷き詰められているようなイメージです。その『ナノの地形』やそこに並ぶ分子の種類を変えることで、水や油がどう振る舞うか、汚れの粒子がどう付着するかをコントロールできるんです」。
具体的には、特殊な化学反応を使って表面に特定の分子を規則正しく並べたり、光や電子ビームを使って表面をナノメートル単位で削ったり盛り上げたりして、微細な凹凸構造を作り出します。例えば、水滴が触れる表面積を極限まで小さくするような構造を作ることで、水玉がコロコロと転がり落ちる「超撥水」表面が実現できます。油汚れに強い表面を作るには、また別の化学的な処理や構造が必要です。
「実験室は、ある意味、表面をデザインする工場のようなものです」と先生は笑います。「狙った通りのナノ構造を作るのは、想像以上に難しい作業です。温度や湿度、反応時間など、ほんのわずかな条件の違いで全く違う表面ができてしまうこともあります。地道な試行錯誤の繰り返しです」。
失敗と発見の連続、そして研究の先に描く未来
研究室では、学生たちと共に日々、新しい表面作りに挑戦しています。時には、何ヶ月もかけた実験がうまくいかず、最初からやり直しになることも少なくありません。「もちろん落ち込みますが、なぜうまくいかなかったのか、その原因を徹底的に考えます。失敗の中にも必ず発見の種があるからです」と先生はいいます。
ある時、全く期待していなかった反応から、偶然にも非常に高い防汚性を示す新しい表面構造が見つかったことがあったそうです。その時は、研究室全体が歓喜に包まれたといいます。「あの瞬間の喜びは忘れられません。自分たちの手で、世界の誰も見たことのない新しい材料を生み出した、という実感が得られるからです」。
△△先生が目指す「きれいが続く」表面は、単に家事を楽にするだけでなく、私たちの社会に様々な恩恵をもたらす可能性があります。例えば、窓ガラスや外壁に適用すれば、清掃の手間やコストを大幅に削減できます。医療器具に使えば、衛生状態を保ちやすくなり、感染リスクを低減できます。工場設備に使えば、汚れによる性能低下を防ぎ、メンテナンス頻度を減らせます。さらに、洗剤の使用量を減らすことにもつながり、環境負荷の低減にも貢献します。
「将来的には、特別な技術がなくても、誰でも簡単に、様々な素材の表面を『きれいが続く』機能を持つように変えられるような技術にしたいと考えています」と先生は夢を語ります。「そうすれば、私たちの周りにある多くのモノが、もっと長くきれいに使えるようになり、資源の節約にもつながるはずです」。
研究室を離れた「素顔」
研究一筋に見える△△先生ですが、研究室を離れれば、また違った顔を見せてくれます。休日は、近くの公園で自然を観察したり、古い建築物を見て回ったりするのが好きだそうです。「植物の葉っぱの表面を見ていると、自然がいかに巧みに表面を操っているかに改めて気づかされますし、建築物に使われている様々な素材の質感や汚れ方を見るのも、職業病かもしれませんね」と笑います。
また、自宅では家族のために料理を作ることもあるそうで、その際にも、キッチン周りの掃除のしやすさや、調理器具の汚れの落ちやすさなど、無意識のうちに「表面」のことに考えが及ぶといいます。「日常生活の中にある『こうなったらいいな』という小さな願いが、研究の大きな原動力になっているのかもしれません」。
未来の生活を「きれいに」彩るために
ナノテクノロジーは、私たちの想像を超える可能性を秘めています。△△先生のように、地道な研究を通して、私たちの身近な「困った」を解決し、より快適で持続可能な社会の実現を目指す研究者がいます。
「ナノの世界は、まだまだ私たちの知らない驚きに満ちています」と先生は語ります。「その未知の世界を探求し、得られた知識や技術を活かして、人々の暮らしを少しでも豊かにできることに、何よりやりがいを感じます。未来の生活を、科学の力で『きれいに』彩っていきたいですね」。
先生たちの挑戦は続きます。私たちの毎日の家事が、遠い未来にはもっと楽になっているかもしれません。ナノテクという小さな力が、私たちの生活を、そして社会を、大きく変えていく可能性を秘めているのです。