デバシシュ・チャンダは、絵を描ける物理学者を見つけるのに苦労した。セントラルフロリダ大学にある彼のナノサイエンス研究室の研究者たちは、革新的な冷却塗料を開発するために必要な高性能機械の欠陥を既に解決していた。彼らは鮮やかな色を容器に詰めていた。しかし、いざそれを披露する時、彼らは壁に突き当たった。「手で蝶を描くのがやっとでした。まるで子供の絵のようでした」とチャンダは言う。
とにかく、彼らはそれをやってのけた。形と4色のデザインは確かにシンプルに見えるが、そのシンプルさは人を欺くものだ。深く、見えないほどに拡大してみると、この塗料はあなたが知っている塗料とはほとんど似ていない。
自然界には色彩が溢れており、私たちはそれを顔料で再現しています。顔料とは、粉砕した鉱物、重金属、あるいは化学物質を油に混ぜてキャンバスや車に塗り広げたものと考えてみてください。コバルトは青、黄土色は赤、カドミウムイエローは黄色になります。「しかし、自然界は私たちとは全く異なる方法で色を作り出します」とチャンダは言います。孔雀、甲虫、蝶など、自然界で最も鮮やかな色彩は、顔料を使わずにその輝きを放ちます。
これらの色は地形から生まれます。クジャクの羽、甲虫の殻、蝶の羽の外側にある微細な地形が光を回折し、 構造 色と呼ばれる色を生み出します。これは色素を使わず、より長持ちします。科学者にとって、これは地球に優しいだけでなく、より温暖化した地球で暮らすための助けとなる可能性のある塗料を開発するための鍵となるのです。
今月サイエンス・アドバンシズ誌に発表された論文で 、チャンダ研究室は構造色をベースにした初の塗料を実証した。研究室はこれが世界最軽量の塗料だと考えている。重量と温度の両方においてだ。この塗料は微細なアルミニウムフレークで構成され、さらに微細なアルミニウムナノ粒子が点在している。レーズン1粒分の量でドアの前面と背面の両方を塗ることができる。この塗料は軽量であるため、塗装された飛行機や車の燃料消費量を削減できる可能性がある。顔料のように太陽光の熱を閉じ込めることがなく、成分はカドミウムやコバルトなどの重金属を使った塗料よりも毒性が低い。
写真: デバシス・チャンダ/UCF
アリゾナ州立大学バイオミミクリーセンターの共同ディレクター、デイナ・バウマイスター氏は、この塗料にこれほど多くの隠れた機能が備わっていることに驚きはしていない。「これは、自然からの助言を求めてデザインを再考することで、何が可能になるかを示す素晴らしい例です」と彼女は言う。
欠点はあれど、塗料に勝るものはない。人々は数千年もの間顔料を使ってきたため、塗料メーカーは理想の仕上がりを実現するコツを熟知している。「彼らは光沢を変えるためにどのような添加剤を加えれば良いかを正確に把握しています。より明るくすることも、より落ち着いた色にすることもできます。何百年もかけて、これらすべてを解明してきたのです」とチャンダは言う。
新しい塗料は、美的感覚だけでなく、物理の領域まで革新を起こさなければならない。それでも、チャンダの研究室のメンバーたちは、偶然にこの革新にたどり着いた。塗料を作ろうとしていたわけではない。彼らが作りたかったのは鏡、具体的には電子ビーム蒸着装置と呼ばれる装置を用いて作られた、長く連続したアルミニウムの鏡だった。しかし、どんな試みをするにしても、小さな「ナノアイランド」、つまり目に見えないほど小さいながらも鏡の輝きを妨げるほど大きいアルミニウム原子の塊が現れる。ナノアイランドは、今や（苛立たしいことに）連続した鏡ではなくなった鏡の表面全体に現れた。「本当にイライラしました」とチャンダは回想する。
そして、ひらめきが訪れた。その破壊的な変化が何か 有益なことをしているのだ。周囲の白色光がアルミニウムナノ粒子に当たると、金属中の電子が励起され、振動、つまり共鳴する。しかし、次元がナノスケールに達すると、原子はより敏感になる。アルミニウムナノ粒子のサイズに応じて、その電子は特定の波長の光に対してのみ振動する。その結果、周囲の光は元の光の一部、つまり単色として跳ね返る。彼らが作ろうとしていた鏡のような反射面にアルミニウム粒子を重ねることで、色鮮やかな効果が増幅されたのだ。
何色になるか？それはナノアイランドの大きさ次第だ。「次元を変えるだけで、 あらゆる色を作り出すことができるのです」とチャンダ氏は言う。顔料はコバルトや紫色のカタツムリの粘液のように、色ごとに異なる基本分子を必要とするが、このプロセスの基本分子は常にアルミニウムであり、異なる波長の光に振動する異なるサイズの断片にカットされているだけだ。
いよいよ絵の具を作る段階になった。研究チームのプロセスは、非常に薄い両面鏡のシートから始まる。研究者たちは、色の効果を増幅させる透明なスペーサー材で両面を覆った。次に、シートの両面に金属ナノ粒子の島を成長させた。この材料を絵の具に使われるバインダーや油と相性よくするため、大きなシート状の材料を粉砂糖ほどの細かさのカラフルなフレーク状に溶かした。そして、小さな虹を作るのに十分な色を作り、蝶を描くことができた。
構造色は、ごく薄く超軽量の層で表面全体を覆えるため、チャンダ氏はこれが航空会社にとって画期的な出来事になると考えています。ボーイング747には約500キログラムの塗料が必要ですが、チャンダ氏の試算では、この塗料なら同じ面積を1.3キログラムで塗ることができるとのことです。これは1機あたり1,000ポンド以上の軽量化に相当し、1回の飛行に必要な燃料量を削減できることになります。
国際航空貿易協会（IATA）の広報担当者、ペリー・フリント氏は、その可能性は十分にあると考えている。「燃料費はすでに最大の営業経費（昨年は約30%）であることを考えると、航空会社は常に燃料効率の改善に関心を持っています」と、彼はWIREDへのメールで述べている。効率的な機体やエンジンの開発は不可欠だが、軽量化も莫大なコスト削減につながると彼は言う。アメリカン航空は、1便あたりわずか67ポンド（約28kg）分の操縦士用マニュアルを削減しただけで、年間40万ガロン（約1万4000リットル）の燃料と120万ドル（約1億2000万円）の節約になると試算している。2021年には、737型機の重量を62ポンド（約28kg）削減する新塗装を導入し、年間30万ガロン（約1億2000万円）の節約を実現した。
構造色は耐久性も向上させる可能性があります（一部の航空会社は4年ごとに機体の塗装を塗り替えています）。顔料分子は日光で分解しますが、構造色は分解しないため、色褪せません。「顔料を固定し、酸化して色褪せを防ぐ方法は様々あります。さもなければ、色褪せてしまい、埋め立て地に捨てられてしまいます」と、コンサルティング会社Biomimicry 3.8の共同設立者でもあるバウマイスター氏は言います。「しかし、生物の寿命に及ぶ限り、永遠に色褪せないようにする必要がある場合、構造色の方が好ましいのです。」
チャンダ氏のチームはまた、従来の塗料とは異なり、構造用塗料は赤外線を吸収しないため、熱を閉じ込めないことにも気づいた（「これが、炎天下で車が熱くなる理由です」と彼は言う）。それに比べて、この新しい塗料は本質的に 冷却効果を持つ。研究室の予備実験によると、この塗料は従来の塗料よりも表面温度を20～30°F（約10～15℃）低く保つことができる。
バウマイスター氏は、航空分野以外にも、都市部に高温（時には致命的）をもたらす「ヒートアイランド現象」の緩和など、様々な用途があると考えている。「車や歩道を想像してみてください」と彼女は言う。「建築製品でさえ、見た目からすると暗い色調が好まれるでしょう。デッキ材や外壁材などです。しかし、もちろんそれは建物への熱負荷を増加させます」（一部の研究者は既に、屋根や歩道を冷却するために塗料を使う実験を行っている）。
電気を使わずに建物を冷やすことで、より持続可能なインフラが構築されます。「外気温が95度（摂氏約32度）でも、室内温度を80度（摂氏約37度）以下に維持できれば、エアコンとエネルギーの大幅な節約になります」とチャンダ氏は言います。
小瓶からタンクへの生産規模の拡大は課題となるだろうが、チャンダの研究室は企業パートナーと協力し、この課題に取り組みたいと考えている。（「学術研究室は工場ではない」と彼は言う。）バイオミミクリーのコンサルティング経験に基づき、バウマイスターは、最初の応用分野は小規模なものになるだろうと予測している。おそらく電子機器や熱に敏感な製造業などだ。しかし、彼女はバイオに着想を得たイノベーションが都市インフラのような大規模に展開することを期待している。「地球上の人類の未来は、自然と調和する方法を見つけ出すことにかかっています」と彼女は言う。
