研究者らは、水生クモにヒントを得て、水中で数カ月間乾燥した状態を保ち、バクテリアやフジツボなどの海洋生物の付着に対して高い耐性を持つ新しい表面素材を開発した。彼らは、この表面素材は製造が容易で拡張性があり、幅広い実用性があると述べています。
自然界で機能するものは、人間にとっても同様に機能することがよくあります。問題は、既存のツールを使用して必要な生物由来の材料を作成することですが、これは言うは易く行うは難しです。
今回、ハーバード大学のジョン・ポールソン工学応用科学大学院（SEAS）率いる研究者らがまさにそれを行い、水生クモから着想を得た超疎水性金属表面を開発した。つまり、水をはじき、水中でも数か月間乾いた状態を保つことができます。
この研究の共著者の一人であるジョアンナ・アイゼンバーグ氏は、「生物由来の材料研究は、自然界で進化したエレガントな解決策を人工材料の領域にもたらし続ける非常に刺激的な分野であり、前例のない特性を備えた新材料の導入を可能にします。この研究は、これらの原理を明らかにすることが、水中でも超疎水性を維持する表面の開発にどのようにつながるかを例示しています。」と述べた。
ダイビングベルスパイダーとしても知られる Argyroneta aquatica は、ほぼ完全に水中に生息することが知られている唯一のクモです。何百万もの粗い疎水性絨毛が体の周りに空気を閉じ込め、酸素の貯蔵庫を作り、クモの肺と水の間に障壁を作ります。クモの毛によって閉じ込められた薄い空気の層は腹腹と呼ばれます。
研究者たちは、理論的には安定した水中シャーシを作成することが可能であることを何十年も前から知っていました。しかし、実際には、ダイビングベルスパイダーのような粗い表面を作成すると、表面の機械的強度が低下し、温度や圧力のわずかな変化の影響を受けやすくなります。また、以前の実験では、表面が乾燥した状態を維持できるのは数時間だけでした。
研究者は、濡れ性が分子レベルでの表面特性に非常に敏感であり、表面トポグラフィーによって強く影響されることを知っています。そこで彼らは、好気性のチタン表面、つまり空気やガスの泡を引き寄せて排出する表面を作成し、電気化学的酸化を利用して酸化物層を形成し、形成された酸化物を化学的に溶解してナノメートルスケールの粗さを作り出しました。
表面の安定性をテストするために、研究者らは表面を曲げ、ねじり、温水と冷水のスプレー、砂と鋼の摩耗にさらしたところ、表面が好気性を維持していることが判明した。それは208日以上継続的に水に浸され（研究発表の時点では、表面はまだ水に浸かっており、劣化の兆候は見られなかった）、血液で満たされたペトリ皿の中で数百回も浸された。表面は大腸菌やフジツボの増殖を大幅に抑制し、イガイ類の付着を完全に防ぎます。
この研究の筆頭著者であるアレクサンダー・テスラー氏は、「私たちは20年前に理論家によって提案された特性評価方法を使用して、表面が安定していることを示しました。これは、非常に撥水性があり、非常に耐久性のある新しいタイプの超疎水性表面を作成しただけでなく、異なる材料でそれを再度行うことができることを意味します。」と述べた。
研究者らは、表面には複数の用途があると述べている。術後の感染症を軽減したり、水中パイプやセンサーの腐食を防止したりするために、生物医学機器に使用できる可能性があります。また、10 年以上前に SEAS チームによって開発された、滑液注入多孔質表面技術 (SLIPS) と呼ばれる別の生体由来の材料と併用することもできます。
この研究の共著者である Stefan Kolle 氏は次のように述べています。「このシステムの安定性、シンプルさ、拡張性により、このシステムは現実世界のアプリケーションで非常に価値があります。ここで紹介する特性評価方法を使用して、安定性を確保するために超疎水性表面を最適化できるシンプルなツールキットを示します。これにより、アプリケーション空間が大きく変わります。」
この研究は Nature Materials 誌に掲載され、以下の SEAS が制作した 2 つのビデオは、新しい表面がどのように水や血液をはじくかを示しています。