石鹸と蚊：「南風の再来」を撃退する秘密兵器？

最近、中国南部の一部地域で「南風回帰」という特異な現象が発生しており、多くのネットユーザーから「まるで水幕の洞窟に住んでいるようだ」「家の壁が泣いているようだ」といった声が上がっている。この現象が起こる理由は、屋外の気温が高く、室内の気温が低いためです。室内の水蒸気が結露して生じた水霧が壁や床の表面を覆いますが、これは冬にメガネが曇るのと同じ理由です。一般の方は、このまま気温が上がり続ければ「南風の戻り」も自然に過ぎ去るのを待つしかありません。しかし、医療従事者や一部の特殊作戦従事者にとっては、機器の表面の曇りを避けることが非常に重要です。表面の曇りを防ぐにはさまざまな方法があります。親水性石鹸と防水蚊よけは、「南風の再来」を撃退する秘密兵器となるかもしれません。

執筆者：王偉（ハルビン工業大学（深圳）教授）

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南風と霧の再来

土曜日の朝、家を出たとき、一瞬銭湯に来たのかと思ったほど、廊下の壁や窓には水滴が垂れ下がり、地面は水を撒いたかのように湿っていた。コミュニティの階下はさらに誇張されており、日陰のある場所では、タイル張りの床の水に足を踏み入れて水しぶきを上げることさえできます。

著者の家の廊下。誰も床を拭いたり壁を拭いたりしませんでした。

毎年恒例の「南風の戻り」がまたやってきたようです。

画像出典：深セン市衛生委員会公式アカウント

広東省や福建省に住む学生たちは、「南風再来」についてすでによく知っているかもしれない。この現象が起こる原因は、簡単に言うと、外気温が急に上昇し湿度も高いのに、室内はまだ涼しいので、室内の表面に水蒸気が凝縮するからです。

画像出典: 中国気象ネットワーク公式アカウント

同じ原理で、冬に銭湯に行ったり、夏にエアコンの効いた部屋から外に出たりすると、メガネが曇りやすくなります。また、冬場に閉め切った車内に座っていると、車内の窓が曇ってしまいます。夏場はエアコンの効いた車の窓の外側も曇りやすくなります。

南風が戻ってきたのか、ガラスや眼鏡が曇ったのか、私たちの生活に多少の不便をもたらすだけかもしれません。しかし、医療従事者や重要な器具や装置を操作する作業者などにとっては、ゴーグルやメガネが突然曇ると視界がぼやけ、安全上の大きな危険が生じます。飛行機や車のフロントガラスやバックミラーの曇りも重大な交通事故を引き起こす可能性があります。したがって、防曇材料の開発は実用上大きな意義を持っています。

防曇は自然界においても重要な意味を持ちます。たとえば、蝶や蚊などの小さな飛翔昆虫の場合、羽や目、体の他の部分に水滴が結露すると悲惨な事態を招く可能性があります。

曇りを防ぐには、物体の表面に曇りが生じる原因として、湿度の高い空気、表面温度の低さ、小さな水滴の形成という 3 つの要素があることを理解する必要があります。したがって、空気を除湿したり、表面を加熱したりすることで、そもそも曇りを防ぐことができます。

画像出典: 著者の絵

しかし、人が吐き出す空気であろうと、昆虫が生息する環境であろうと、水蒸気は絶えず供給されています。医者のゴーグルであれ、蚊の目や羽であれ、自由に加熱することはできません。では、ゴーグルや蚊の曇りを防ぐために他にどのような方法があるのでしょうか?

フォギングの3つの要素を確認してみましょう。表面を加熱したり、空気中の湿度を下げたりすることはできないので、水滴に作用することしかできません。言い換えれば、水の凝縮は許容されますが、水滴の形成が回避される場合にのみ許容されます。この考えに基づくと、水を均一な水膜に凝縮させる「親水性」戦略と、水を大きな水滴に凝縮させて転がり落ちる「疎水性」戦略という 2 つの防曇戦略が存在します。

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防曇戦略1：親水性表面

画像出典: 著者の絵

人工防曇材は通常、表面を化学的に改質し、何らかの「親水性」物質で覆うことで、凝縮した水が均一な水膜に広がるという最初の方法を採用しています。このような水膜はガラスと同じくらい透明なので、視界を妨げることはありません。

この「親水化」は特殊な器具を使用することで実現できます。たとえば、「酸素プラズマ」を使用してガラス表面に衝撃を与えると、酸素原子を含む基が生成され、ガラス表面の親水性が大幅に向上し、水が完全に濡れて水膜を形成できるようになります。

画像出典: 著者の絵

特殊なコーティングを施すことで「親水性」にすることも可能です。例えば、中南大学湘雅病院の研究者らは、有機シリコン酸化物とアクリル酸を含む複合コーティングを開発しました。このコーティングは親水性と光透過性に優れ、光学レンズにしっかりと接着して剥がれることはありません。 [1]

現在では、同様の発想で作られた曇り止めゴーグルが数多く市販されています。しかし、感染拡大の初期段階では、価格や供給などの問題から、医療従事者がこうした曇り止めゴーグルを大規模に使用できない可能性がある。箱から出してすぐにゴーグルを曇り止めにする、より安価で手頃な方法はありますか?

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曇りを防ぐために石鹸を塗る

プラズマ処理やコーティングに加え、「界面活性剤」と呼ばれる化学分子を塗布することでも「親水化」を実現できます。このような分子は 2 つの端に分かれています。一方の端は親水性の頭部で、通常は電荷、または水分子としっかりと結合できるいくつかの原子または基が含まれています。もう一方の端は水を嫌う（「疎水性」）末端であり、通常は長い有機分子鎖です。石鹸（食器用洗剤、洗濯用洗剤など）の分子は、典型的な界面活性剤です。疎水性末端を利用して、衣服や食器の表面の油汚れを取り除き、水に溶かします。

画像出典: 著者の絵

界面活性剤を物体の表面に塗布すると、その疎水性の端が物体の表面に付着し、もう一方の端が水分子と結合して水分子が広がり、水膜を形成します。

このことから、冬にメガネが曇るのを防ぐ民間療法が生まれました。「食器用洗剤、石鹸、歯磨き粉、卵白などを水に溶かし、その溶液にレンズを浸します。メガネが一日中曇りません。素晴らしいと思いませんか？」[2] この方法の核心は、メガネの表面に界面活性剤分子の層を塗布することです。これにより、凝縮した水が視界を妨げる小さな水滴ではなく透明な膜を形成します。

この方法は古いように思えるが、2年前に新型コロナウイルスが猛威を振るったときには、多くの医療従事者にとって最も必要とされた「ボトルネック技術」だった。 2020年に中国視力・視覚科学誌に掲載された論文[3]で、温州医科大学眼科病院のチームは、防曇ゴーグルの問題を解決するために、手指消毒剤、石鹸洗剤、防曇クリーム、ヨードチンキ、車のフロントガラスウォッシャー液、水泳用ゴーグルの防曇剤など7つの方法を調査しました。彼らは、「医療従事者の周りのいたるところにある抗菌手指消毒剤は、防曇の役割を果たすことができます。ゴーグルの内側に手指消毒剤を塗布し、水ですすいで振って乾かします（注意：ガーゼやペーパータオルで拭いて乾かさないでください）。そうすることで、ゴーグルに防曇機能が得られます。この方法は便利で実用的であり、地元の材料を使用し、効果が長続きします。武漢に救援に駆けつけた本稿の著者の一人である鄭秀雲氏が率いる3つの病棟の医療チームは、この方法を採用することで曇りを防ぎ、効果が安定して長く持続します。」

実際、安価な石鹸水であれ、高尚な「水泳用ゴーグルの曇り止め剤」であれ、あるいは一部の科学研究チームが開発した「ゴーグルの曇り止めコーティング技術」であれ、原理は同じです。界面活性剤分子により、水は水滴ではなく水膜に凝縮されます。

これらの方法は本質的に同じであるため、同様の欠点があります。つまり、これらの「防曇」分子は物体の表面にわずかに付着しているだけであり、機械的な力（引っかき傷など）に遭遇すると簡単に剥がれ落ちてしまいます。そのため、上記の論文では「ガーゼやペーパータオルで拭いて乾かすのは避けてください」と特に注意喚起しています。一方、これらの界面活性剤分子は本質的に水に溶けるため、物体の表面に水が凝縮するとこれらの分子も奪われ、この防曇方法はほとんどの場合 1 日以内に機能しなくなります。

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防曇戦略2：超疎水性表面

前述のように、水が表面に凝縮したときに小さな水滴が形成されるのを防ぐために、表面を物理的に処理するか、親水性コーティングで覆って表面を親水性にすることで、水が視界を妨げない透明な水膜に凝縮されるようにすることができます。しかし、このようなコーティングは空気中の油やほこりなどによって簡単に汚染され、親水性が低下して簡単に剥がれ落ちたり溶解したりしてしまいます。そのため、この「親水性」戦略で作られたゴーグルは、寿命が短いことがよくあります。

日常的に使用する場合は、1日1回曇り止め処理をしても大した問題ではないかもしれません。しかし、空気中の水蒸気と日々戦わなければならない生き物にとって、上記の曇り止め方法は不便なだけでなく、親水性コーティングが失敗すれば生死に関わる問題となります。したがって、自然には安定した、耐久性があり、信頼性の高い防曇戦略が必要です。

「泥に染まることなく浮かび上がる」蓮は、人間の「親水性」戦略とは全く異なる「疎水性」防曇戦略もあることを気づかせてくれます。読者は蓮の葉の疎水性をよくご存知でしょう。蓮の葉の表面には水滴がくっつかないだけでなく、ノンスティックフライパンの表面と同じように、水滴が水玉になって蓮の葉の中心まで転がり落ちます。 1970年代にドイツの植物学者ヴィルヘルム・バルトロットが初めて顕微鏡で蓮の葉の表面を研究して以来、人々は蓮の葉の疎水性原理を基本的に理解してきました。簡単に言えば、蓮の葉の表面には髪の毛の数十倍から数百倍も小さい突起が多数あり、表面は疎水性のワックスで覆われています。水はそのような表面を濡らすことができず、大きな水滴を形成せざるを得ません。蓮の葉が少し傾くと、水滴が楽しそうに転がります。

画像クレジット: 出典: Ensikat, HJ;ディッチェ・クル、P.;ナインハウス、C.; Barthlott、W. Beilstein、J. Nanotechnol。 2011年2月152-161

濡れを嫌う昆虫もこのマイクロナノ構造を利用して曇りを防止します。例えば、蝶の羽には、蓮の葉の表面の突起とほぼ同じ大きさの、マイクロナノスケールの特殊な溝があります。蚊の複眼は密集した小さな六角形で構成されており、表面に凝縮した水が広がるのを防ぎ、代わりに水滴を形成します。さらに驚くべきことは、転がる水滴が羽や目の表面の汚れも運び去り、昆虫の体が乾いて清潔に保たれることです。

画像出典:
https://blog.scienceborealis.ca/superhydrophobicity-from-leaf-to-lab/

&https://www.quora.com/蚊の目は何個あるか

超疎水性表面に基づくバイオニック防曇材料の研究は非常に盛んな研究分野です。中国の科学者もこの分野で世界をリードする研究成果を達成しています。興味のある読者は参考文献[4]、[5]を読むことができます（編集者注：「自然からバイオニクスへ：超疎水性材料の過去と現在」を参照）。自然が私たちにこのような優れた戦略を与えてくれたのだから、この超疎水性マイクロナノ構造を防曇ゴーグル、フロントガラス、メガネに使用できるのではないか、とお考えかもしれません。残念ながら、この方法はまだ生産や生活の場で大規模に使用されていません。その理由は、一方では、マイクロ・ナノスケールでそのような微細構造を準備し、それを大量生産することは非常にコストがかかり、複雑になる可能性があるからです。一方、防曇表面に対する我々の要求は昆虫ほど高くなく、長持ちして安定した防曇材料の需要はそれほど切迫していません。

さらに、マイクロナノ構造に基づくこの超疎水性表面には、耐摩耗性がないという致命的な欠陥があります。このような繊細な構造が破壊されると、疎水性の「魔法」は根本的に失われます。しかし、中国電子科技大学の鄧旭教授のチームとその協力者は最近、新しい戦略[6]を開発しました。これは、優れた機械的安定性を備えた微細構造の「鎧」を使用して超疎水性表面を保護し、超疎水性表面が摩耗を恐れる問題を大幅に解決します。おそらく近い将来、防水性、自己洗浄性の壁、ガラス、さらには太陽光パネルが何千もの家庭に導入されるようになるでしょう。

蚊や蝶が南風の復活を阻止する重要な助けになるなんて、誰が想像したでしょうか?

参考文献

[1] 李建、劉嘉義、張楊徳、新しいナノ反射防止および防曇フィルムを使用した光学レンズの表面改質、中国組織工学研究誌、2011年、15(3):445-449

[2] 「冬にマスクをするとメガネが曇る？5つのヒント」NetEase

[3] Huang Xiaoqiong、Qu Jia、Chen Yanyan、他。 COVID-19流行時のゴーグルの正しい選び方と曇り防止のガイド。中国検眼視覚科学誌、2020年、22(04):253-255。

[4] 「レビュー：スーパーウェッティング生体模倣防曇材料の進歩と課題
https://www.materialsviewschina.com/2018/05/28848/”

[5] 王鵬偉、劉明傑、姜磊。バイオニックマルチスケールスーパーウェッティングインターフェース材料。中国物理学ジャーナル、2016年、65(18):186801。

[6] Dehui Wang、Qiangqiang Sun、Matti J. Hokkanen、Chenglin Zhang、Fan-Yen Lin、Qiang Liu、Shun-Peng Zhu、Tianfeng Zhou、Qing Chang、Bo He、Quan Zhou、Longquan Chen、Zuankai Wang、Robin HA Ras、Xu Deng、Nature、2020、582、55–59、

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