水面に浮きながら滑るように滑走する水生昆虫のふしぎ

 

 水面に浮きながら滑るように滑走する昆虫のふしぎ~水の表面張力と疎水性~」というテーマで、小学生対象の「科学体験教室」を越前市の加子さとし絵本館で開きました。「実験を通した不思議体験が子どもたちに科学の魅力を伝える科学絵本を読むきっかけになってほしい」というのが教室を設けた理由です。今回、水生昆虫としてアメンボとミズスマシを取り上げ、これらが水中に沈むことなく、水面を滑走できるメカニズムについて動画と写真を見ながら考えてもいました。アメンボの足が6本と答えられたのは少数でした。アメンボは足に水をはじく細かい毛がびっしりと生えています。細かい毛に付着した足の先から分泌した油によって水をはじくとともに表面張力が働いて浮きやすくなっています。実際には、アメンボの足はマクロ構造と微細な規則正しいナノ構造(幅400500nm)を有し、疎水性を増し浮力を増大させていると言われます。ここにも事業のテーマであるナノの世界が垣間見えました。 次いでアメンボが利用している水面浮上・滑走の原理を用いたおもちゃづくりと実験を行いました。アメンボの6本の足うち2本の前足と2本の長足を模擬したアメンボの模型を長さ1mのアルミ線を用いて作り、水の表面張力で水面に浮かせ、息を吹きかけて走らせるテストを行いました。次に、1円玉を10個水面に浮かせた後、食器洗い洗剤を数滴水面に落とすと1円玉が次々に沈んでいく様子を観察してもらいました。さらに、金属性のコップに水を張り、ビー玉を水中に入れると水面が表面張力によって限界まで曲がる様子を観察してもらいました。1円玉が次々と沈んでいく現象に歓声があがりました。

 

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接着の科学

先日、「接着のメカニズムと接着剤の選択」と題する講演を行う機会を得ました。接着の原理、テフロン用接着剤、分子設計と分子内相分離について強調しました。ここでは、代表的な接着剤である「アロンアルファ」とエポキシ樹脂の接着のメカニズムについて述べます。瞬間接着剤であるアロンアルファは使用前はモノマー(単量体)ですが、大気に触れると大気中の水分H2Oを瞬間的にモノマーに取り込み、モノマーが連鎖的につながります。つまりアニオン重合してポリマー(高分子)となり、硬化します。アロンアルファは分子内に電子吸引性をもつシアノ基とカルボニル基を持っているのでメチレン炭素(CH2)が電気的に強いδ+性を帯びています。そのために反応開始時にCH2のCがH2Oの酸素と結合し、H2O-CH2-C-CN(COO-R)ができます。こうしてアロンアルファと金属は分子間力の一種である水素結合します。要するに、水素結合(アロンアルファーH-O-H-金属酸化物中の酸素O)によって2枚の金属が接着します。一般に酸化している金属表面の酸化物中の酸素Oは水素より電気陰性度(電子を引きつけやすい)が大きいことが知られています。一方、エポキシ樹脂と銅板の接着について考えてみます。これはエポキシ樹脂中のOH基と銅表面の酸化膜Cu-Oとが水素結合により相互作用を受け接着します。水素結合とは水素原子が電気陰性度の高い酸素のような原子Aと結合していると他の原子Bに対しても親和力を示し、A-H-Bのような結合を示すことがあります。これを水素結合と言います。銅とエポキシ樹脂の場合、エポキシ樹脂のOH基においては水素Hは電気陰性度の酸素と結合しているので、銅酸化物Cu-Oの酸素Oと水素結合(エポキシ樹脂本体-O-H-O-銅)することになります。アルミとエポキシ樹脂の場合、アミン硬化剤のN(δ+)とアルミ表面にある酸化アルミニウムの酸素(δ-)が結合すると言われています。

 

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ウイルスと細菌の違い

ノロウイルスが 全国で猛威をふるい、インフルエンザウイルスも流行っています。中国の日本人学校で働いている友人から走査電子顕微鏡(SEM)を使った理科教育をしたいので、ウイルスのSEM画像を手に入れてほしいとのメールがきました。細菌と異なるウイルの特徴として知られていることは次の通りす。ウイルスは、①生きた細胞の中でしか増殖できない、つまり単独では生存できません。②細胞壁をもたずタンパク質の外壁と内部に核酸(遺伝子)を持つという単純な構造をしています。③大きさは20~200nmで細菌の1/10~1/200です。④抗生物質が効きません。国立感染症研究所から入手したインフルエンザウイルス、ノロウイルス(Φ30nm)、A型肝炎ウイルス、エイズウイルス、エボラウイルス、ジカウイルスのSEM写真をりました。抗ウイルス材料として、酸化チタン粒子、銀ナノ粒子、白金ナノ粒子などが知られています。ウイルスに効く薬は開発されていないが、ワクチンの接種で、ウイルス感染の一部が予防できます。 

 

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錆びの科学

水中での金属を加工する際に発生するさび、とりわけ鉄さびの防止法について考える機会を得ました。鉄が水中の水分と溶存酸素(水中には酸素が一定濃度溶け込んでいる)により酸化されると水酸化第一鉄Fe(OH)2が生じます。つまり溶存酸素は、水分子(H2O) とともに還元されて水酸化物イオン(OH)-になります。この還元に必要な電子は鉄がイオンになって水中に溶け込むことにより生成しています。水酸化第一鉄は直に酸化されて水酸化第二鉄2Fe(OH)3となります。この化合物は結晶水を持つ酸化鉄Fe2O3・3H2Oいわゆる赤さびです。塩水中でも淡水中同様に赤さびができます。さび(腐食)の進行は溶存酸素の拡散速度に依存します。塩水中では、溶存酸素の拡散速度に依存する腐食の進行は塩分濃度3%まで速くなり、3%を越えると減少します。それは、酸素の溶解度が塩分濃度の増加につれて増大するに対して、導電率は塩分濃度の増加につれて減少するからです。一般に溶存酸素の拡散速度は溶液の導電率に依存し、導電率が増大すると溶存酸素も増えていきます。さて、さびを防止するには、溶存酸素と水分を除去する必要があります。水中で金属を加工(ワイヤーカット放電)する場合、水分の除去はできないので溶存酸素を除去することになります。脱溶存酸素除去剤として、亜硫酸ナトリウム(現像液の酸化防止剤、脱色剤、試薬など)、亜ジチオン酸ナトリウム(食品酸化防止剤、漂白剤、還元剤など)、硫酸ナトリウム(入浴剤、漢方薬)、鉄粉などがあります。水道水を使用する場合、塩素(次亜塩素酸ナトリウム)除去剤としてチオ硫酸ナトリウム(写真定着剤、ハイポ)、亜硫酸ナトリウム(防腐剤、脱塩素剤定着液)などがあります。

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組み立て椅子

本組み立て椅子は、図に示すように円形の座板とそれを支える半円形の一対の支持板と半円形の一対の脚板で構成されています。座板には外側の係合凹部が4ケ所、内側にも、係合凹部が4ケ所あります。2枚の指示板にはそれぞれ係合凸部が2ケ所あり、支持板は中心線に沿って作られた溝にはめ込まれ、互いに直交します。一方、2枚の脚板もそれぞれ中心線に沿って溝が掘られ、はめ込むと直交します。支持板と脚板が45度ずれた角度位置で交差するように組み付けられているのが特徴です。本発明は、上記のような構成を有することで、容易に組み立ておよび分解が可能で、十分な強度を備えています。これは平成22年度デザインパテントコンテスト(文科省・特許庁主催)大学部入賞作品で、当時の専攻科学生末永英君が意匠登録(1429104号)し、支持板と脚板の組み立て機構について私どもが特許を所持しています。

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出前科学実験教室

アイシュタインは幼いころ親から磁気コンパスを与えられ、針が常に北を示す事実に興奮を抑えきれなかったという体験が一生に影響を与えたと述べています。エジソンは少年時代に親から与えられた科学実験の本にある実験をすべて行って科学の楽しさが身につき、大人になっても好奇心が尽きることがなかったそうです。子供のころから実験・観察、ものづくりの楽しさを身につけると、未知の現象に対して真実を知りたい、探究したいといった欲求が生れ、理科好きになると言えます。

 これまで理科好きになるきっかけ作りのため、さらに生涯にわたって科学に興味・関心を持ち続け、日本の科学技術の一翼を担ってくれる人材が一人でも多く育つことを期待して参加費無料の「おもしろ科学体験教室」を20名のリタイアエンジニア集団とともに、10年以上続けてきました。ホームページの最初に掲載した写真は、我が国の産業を支える中小企業が密集している東京都大田区蒲田での出前科学実験教室での様子です。

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初仕事

ナノ・ブレインの初仕事は、4月18日に東工大のキャンパスイノベーションセンターの国際会議室で行われた繊維学会と日本繊維機械学会の共催のスマートテキスタイル研究会の第1回講演会での招待講演でした。参加は会費制で、会費は1万円、100人近い聴講者の前でお話ししました。専門家の前での講演は文科省の科学技術振興機構JST主催の新技術説明会以来でした。テーマは「カーボンナノチューブを用いた使い捨てペーストレス脳波電極」で、未解明の現象に対する質問があり、まだ解明できていないとお答えしました。しかし、仮説について解説しました。

  幸いなことに8月に福井県から助成金が認められ、産官の連係体制ができました。一方、中小企業経営者や個人事業主を支援する派遣専門家として中小企業庁が管轄する「ミラサポ」に専門家認定されました。ふくい産業支援センターの電気電子分野の派遣専門家として登録されており、中小企業からふくい産業支援センター(0776-67-7402)に派遣要請があれば、支援に伺います。

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会社名ナノ・ブレインの起源

高等教育機関で38年間教育研究に携わってきました。本年4月、起業し技術コンサルティングを始めました。近年、ナノ粒子、ナノ素材の研究開発に取り組んできたので、社名にナノを取り入れました。脳波センサによって脳波が観測されます。開発したセンサにより脳波とX線CTあるいはMRIによる画像の同時観測を可能にしたことから、脳波センサの脳とシンクタンクを意味するブレインを組合せて、ナノ・ブレインと名付けました。

 これまで単独、学学、産学、産官学などの体制で科研費など様々な公的資金を獲得してコア技術の開発を行い、幾多の知的財産を共同で生み出してきました。取り組んだテーマは燃料電池から高速道路を走れるソーラーカーまで多岐に渡っています。こうした経験や学会活動を通して人脈ネットワークが形成できたことから起業しました。電気学会から授与されたIEEJプロフェッショナルというコンサルタントの認証、名古屋大学大学院から授与された工学の博士号、これまでの共同研究開発実績を技術コンサルティングの資格としています。

 

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