1998年の大氷害では、米国北部とカナダ南部で送電線や鉄塔に氷が付着し、多くの人が数日から数週間にわたり寒さと暗闇にさらされ、機能停止に陥った。風力タービン、電力タワー、ドローン、飛行機の翼など、氷の付着に対処するには、通常、時間とコストがかかり、多くのエネルギーを使用する技術や、さまざまな化学物質に頼る必要がある。しかし、カナダのマギル大学の研究者らは、自然界に目を向けることで、この問題に対処する有望な新しい方法を発見した。彼らは、南極の氷のように冷たい海を泳ぐジェンツーペンギンの羽からインスピレーションを得たという。
「我々は当初、蓮の葉の性質を探った。蓮の葉は水分を排出することには優れているが、氷を排出することにはあまり効果がないことがわかった。」「ペンギンの羽の性質を調べ始めてから、水と氷の両方を排出できる自然界に存在する素材を発見した。」と、10年近く解決策を探し求めてきたアン・キエツィヒ博士は述べている。彼女は、マギル大学の化学工学の准教授であり、バイオミメティック表面工学研究所の所長でもある。
微細なワイヤーメッシュが羽毛の撥水・撥氷性能を再現
「我々は、レーザー加工されたワイヤーメッシュで、これらの複合効果を再現することができた。」と、キエツィヒ博士と一緒に研究した博士課程修了生で、新論文の共著者の一人であるマイケル・ウッド氏は説明している。
2022年10月4日にACS Applied Material Interfaces誌のオンライン公開されたこの論文は「二重機能に基づく頑強な防氷表面──微細構造による氷の剥離とナノ構造による水の剥離の重ね合わせ（Robust Anti-Icing Surfaces Based on Dual Functionality─Microstructurally-Induced Ice Shedding with Superimposed Nanostructurally-Enhanced Water Shedding）」と題されている。
直感に反するかもしれないが、氷を排出する鍵は、凍結状態で水を引き込むメッシュのすべての孔にある」とキエツィヒ博士は付け加える。この孔の中の水分が最後に凍り、膨張するときに亀裂を生じる。これは、冷凍庫のアイスキューブトレイに見られるのと同じだ。この孔の中の水分が、メッシュの表面に沿って簡単に蛇行するため、メッシュから氷を取り除くのにわずかな力しか必要としないのだ。
初期のテストから得られた有望な結果
研究者らは、スチールメッシュで覆われた表面の風洞試験を実施し、この処理が、研磨されたステンレス鋼の未展開のシートよりも氷の蓄積に対して95％高い効果を持つことを確認した。化学処理を行わないため、風力発電機や電柱、電線、ドローンに付着した氷をメンテナンスフリーで処理できる可能性がある。
「旅客機にはさまざまな規制があり、そのリスクを考えると、航空機の翼を金属メッシュで包むことはあり得ないが、飛行機の翼の表面には、いつか、我々が探求しているようなテクスチャーが取り入れられる可能性があり、ペンギンの翼から着想を得た表面テクスチャーを取り入れた翼の表面では、従来の除氷技術の組み合わせが協調して働くことによって、除氷が行われるようになるだろう。さらなる研究が必要だが、これまでの結果は有望だ。」とキエツィヒ博士は付け加えた。
[News release] [ACS Applied Material Interfaces abstract]
左画像：ペンギンの羽毛の微細構造（内側にある10マイクロメートルのクローズアップは、スケール感を出すために人間の髪の毛の10分の1の幅に相当する）これらの触肢、触肢無しは羽毛の中心軸から枝分かれしたものだ。この「フック」は、羽毛の1本1本をまとめてマット状にするためのものだ。
右画像：ステンレス製のワイヤークロスに、ペンギンの羽の階層構造を模したナノ溝を施したもの（ワイヤー状で、ナノ溝がある）。
