道を歩いていると、ボーリングの球がどんどん降ってくる。
もしあなたが、鳥や虫の大きさだったら、雨粒の規模はそのようなもので、蚊であれば落下する車や岩の中を飛ぶほど致命的なはずです。
しかし、幸いなことに自然界で虫たちは、そのような大惨事に対して「超撥水」と呼ばれる防水性をもつ秘密兵器を進化させてきました。
虫だけでなく、鳥類や植物でさえも、水に対する同様の適応を発達させてきたのです。
そして、航空機からソーラーパネルに至るまで、現代工学は、生物たちが表面で水をはじき、雨粒を空中に浮遊させるように働かせる「超撥水」構造からさまざまなヒントを得ています。
さっそく以下に、超微小スケールでの水の奇妙な振る舞いや生きたナノテクノロジーについて詳しく見ていきましょう。
蝶がこれほどハイテクだったとは、まさに驚きです。
生き物にとっての雨粒とは
蚊にとって雨粒は、車が降ってくるようなものです。
流体力学・生体運動の研究者であるDavid Hu Ph.d.は、次のようにいいます。
蚊は本当に軽く、彼らが雨粒が当たるとは、人が車を投げつけられるのと同じことです。
しかし、私たちは体重の50倍もあるものに当たったら死んでしまいますが、蚊は違い、雨粒の衝撃から生き延びます。
人間サイズになおすと、半径1メートルの雨粒は、4トン以上の水に相当します。人間ならそんな塊が落ちてくるとつぶされてしまいます。
蚊が雨水に当たるとどうなる？
しかし、蚊は、そんな水の塊が降り注ぐなかを飛ぶことができます。
つまり、雨粒に当たったとき、あなたが実際に感じているのは、あなたの体が雨粒に等しく返している反対の力です。あなたには慣性があるから、その小さな力に抵抗します。
しかし、蚊が雨粒に当たった場合、蚊はとても軽いので、雨粒に当たってもそのまま流れに乗ります。
その力に抵抗しているわけではないので、雨粒を止めることはありません。
雨粒はそのまま進み続け、蚊が受ける力はずっと小さくなっていきます。
蚊やハエのような小さな昆虫は、基本的に雨粒にまったく抵抗しないことで雨粒に対処しているのです。
これは、ふわふわ浮いている風船を殴って破裂させようとしても、風船はあなたの動きにまったく抵抗しないので割れないのと同じことです。
昆虫の多くは疎水性
では、トンボやチョウのような大型の飛翔昆虫はどうでしょう？蚊よりも大きいため、雨粒に当たっても別の方向に飛ばされることはありません。
その代わり、彼らは基本的に水が付着しないように翅を作っています。
蝶の翅に水を垂らすと、水が小さなゴムボールか何かのように跳ね返るのです。
この奇妙な仕組みは蝶だけでなく、トンボの羽も完全に水を跳ね返します。
彼らは、表面に小さな空気のポケットがあることで、水をはじくのです。小さな毛のようなものが生えていて、水滴が当たる速さでは、穴の中に入っていく時間はありません。
翅の拡大図と仕組み
チョウの翅（はね）の鱗粉（りんぷん）を拡大してみると、山の形状が格子状に積み重なっており、基本的には何もない空間がたくさんあることがわかります。
このようなナノスケールの構造が、光に干渉して一部の蝶に鮮やかな青色や虹色を与えているのです。
これは、昆虫の翅の表面がどのようなものかをミクロのスケールで表した代表的なモデルです。
ワッフルのように小さなポケットがたくさんあります。
基本的に、この表面はミクロスケールでは粗いのですが、ここに小さな水滴が乗った場合、水滴は中に入ることはなく、ただ端から転がり落ちるだけです。
水滴は、この青い風船の外側の伸縮性のあるゴムが、風船が変形しないように働いているのと同じです。
水は球状になろうとする性質がある「凝集力」
水滴の中の水分子は互いに引き付け合い、水滴を最も表面積の小さい形に引き寄せようとする性質があります。
水滴が球状になろうとするのはそのためで、体積あたりの表面積が最も小さい形なのです。
このように水分子が他の水分子と引き合うことを凝集力といいます。
水の接着力：異なる物質の分子にくっつく力
一方、ガラス板の上に水を垂らしても、平らな塊が広がるだけで球形にはなりませんね？
これは、水分子がガラスのようなある種の異なる物質の原子にも引き寄せられるからで、水以外のものに引き寄せられることを「接着性」と呼ぶ。
凝集力 ＞ 接着力
もし凝集力が接着力を上回り、実際に表面と水滴の間の角度が90度以上であれば、その表面は疎水性であると言えます。
角度が150度以上なら超疎水性。
そして、ガラス上の水滴のように90度以下であれば、そのような表面は親水性と呼ばれます。
昆虫の表面は「超疎水性」
昆虫の翅についた水滴の小さなモデルを見てみましょう。
水滴が実際に表面に接触している部分が非常に少なく、水と水の凝集力が翅に付着する水の粘着力を上回っています。
その結果、水滴は丸い形に引き寄せられ、接触角が大きくなり（超疎水性）、水はそのまま転がり落ちてしまうのです。
これは昆虫の翅だけにとどまりません。
アメンボが水を染み込ませない方法
アメンボのような昆虫が、池の水面を滑空するのもこのためです。
実際、水の上を歩く昆虫の下をよく見ると、毛が非常に多いため、水の上にとどまっているように見えます。
1平方ミリメートルあたり1万本の毛が生えているのです。
水滴が風船のようなもので、それを1万個の小さな空気の穴に押し込もうとしても、水滴はうまく動いてくれません。
むしろ、小さな空気の穴の上にとどまっているだけです。
植物や鳥の超疎水性
私たちは、いくつかの植物にこのようなざらざらした微細な表面を見つけ、その多くは水を打ち上げて葉から転がすことができ、その過程で葉をきれいに保つことさえできることも分かってきました。
鳥の羽毛でも同じことがいえます。
カワセミは一生のかなりの時間を水の中で過ごすことで有名な鳥ですが、チョウの羽と同じように、水を垂らすとはじきます。
鳥の羽根は、あまり多孔質ではないように見えますが、気孔は十分に接近しており、羽ばたきながら鳥の体重を支えることができるのです。
実は、鳥の羽根の70％が空気です。
この羽根を拡大してみると、樹木を思い起こさせるかもしれません。
主幹から分かれた枝がさらに小さな枝に分かれ、さらに小さな亜枝が文字通りマジックテープのように引っ付いています。
これによって、ほとんどが空気で構成される粗い表面が形成され、水は空気とくっつくよりも仲間の水分子とくっつきたがるのです。
その結果、羽毛の表面は自然に超撥水性になります。
現在、鳥は羽毛をワックス状の油脂分泌物でコーティングし、さらに耐水性を高めています。
しかし、アヒルの背中から水を弾き飛ばすのは、ほとんどがこの超疎水性の微細構造です。
これらの微細な凹凸構造が最終的にもたらすのは、チョウやトンボや鳥が水滴に当たったとき、水滴が動物に接触する時間を最小限に抑えるということです。
水滴に接する時間が最小限になる
水滴がはねに接触している時間が短ければ短いほど、水滴の勢いが弱まるからです。
昆虫が、空中でより安定した状態を保つことは、水滴が動物から熱（体温）を奪う時間が短くなり、それは防寒を意味します。
また、水滴がはねに当たって飛び散った場合、微細な凹凸構造が水滴をさらに細かくします。
超撥水性には多くのメリットがある
科学者たちは、このような自然の構造をヒントに、飛行機の部品から太陽電池まで、あらゆるもののための粗い超撥水構造を開発しています。
超撥水であることは、表面をドライに保ち、氷を蓄積させないだけでなく、水滴が落ちるときに、坂道を転がり落ちる雪玉のようにゴミを拾い、表面を効果的にきれいにすることができるからです。
進化と自然淘汰の力、そして、数億年にわたる試行錯誤のおかげで、自然界と生物界がこのような極限的な工学的問題を解決してきたことに、私たちははいつも驚かされます。
自然界の生き物の撥水性については、以下の動画で見ることができます。