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あり得ない…大きな固体だけを通すフィルターのしくみとは?


2018/10/14:
●大きな個体だけ通さない…の逆に大きな固体だけを通すフィルター
●あり得ない…大きな固体だけを通すフィルターのしくみとは?
●嫌な臭いだけカットするトイレやコバエは通れないフィルター
●実は大したことない?発想自体は突飛でもないとのコメントも


●大きな個体だけ通さない…の逆に大きな固体だけを通すフィルター

2018/10/14:ろ過 - Wikipediaによると、ろ過というのは、液体または気体に固体が混ざっている混合物を、細かい穴がたくさんあいた多孔質(ろ材)に通して、穴よりも大きな固体の粒子を液体または気体から分離する操作のこと。

 ろ過は科学実験や化学工業などで用いられる操作であるすけど、家庭でも身近なもの。ろ紙を用いてコーヒー豆と液体を分離してコーヒーを入れたり、掃除機で吸った空気からゴミを分離しtがり…というったものもろ過の一種なのです。非常に身近にあるものだとわかりますね。

 ろ過を行う装置を「ろ過器」といいます。ただ、この「ろ過器」ではなく、「フィルター」といった方が一般的でしょう。「フィルター」と聞くと、あるある!と思いますよね。おなじみの言葉です。実を言うと、「ろ過」も英語では、 filtration(フィルトレーション)といい、フィルターとの関係がわかりやすくなっています。

 で、前述のようにフィルターというのは、細かい穴がたくさんあいたろ材に通して、穴よりも大きな固体の粒子を液体または気体から分離する操作なのですけど、全く逆に大きな固体だけをフィルターに通すという摩訶不思議なフィルターが開発されたそうです。



●あり得ない…大きな固体だけを通すフィルターのしくみとは?

 このへんてこな「真逆フィルター」を開発したのは、ペンシルベニア州立大学の科学者らによる研究チーム。通常のフィルターは、表面に開けられた小さな隙間の大きさを変えることで通過できる物体の大きさを変えていました。当然この応用では、正反対のフィルターを作るのは無理です。

 研究チームが応用したのは、液体の「表面張力」でした。小さくて軽い物体は運動エネルギーが小さいため、液体のフィルターを突破することができません。一方、大きくて重い物体はより大きな運動エネルギーを持つため、液体の表面張力に打ち勝って液体の膜を通過することができるようになります。

 このアイデアのもととなったのは、人間の体にある細胞が細菌やウイルスなど一定の大きさを持つ物体だけを細胞内へと取り込むPhagocytosis(食作用)の様子だとのこと。こうやって生物がモデルになっているという研究は多いですね。
(常識の正反対「大きな物だけ通過できる」という特殊なフィルターが開発される - GIGAZINEより)


●嫌な臭いだけカットするトイレやコバエは通れないフィルター

 表面張力の高い液体でできているために、非常に耐久性が高いというのもメリットだとされていました。実験段階では、フィルターに異物を繰り返し与え続ける試験を行ったところ、3時間たってもフィルターの機能は全く損なわれなかったとのこと。3時間の耐久実験だと、正直長いと思いません。ただ、原理的には耐久性が高いというのはわかる説明はありました。

 物体が膜を通過した後は、物体が通過したことで穴が開いてしまいます。ただ、開いた穴は液体の高い表面張力により自動的に閉じられるとのこと。なので、この繰り返しでフィルターが壊れないというわけ。記事では書かれていなかったものの、壊れたとしても修復が比較的容易にできそうな気がします。

 また、「遮断した物体を自動で集めて取り除くことができる」というのもメリットだとされていました。フィルターの液体に不純物が含まれるため、液体ごと取り除くことを考えているのでしょう。このフィルターには、固体の排せつ物は通す一方で、気体のガスは通さないようにするトイレの防臭装置や、大きな物は入れられる一方で、コバエは通れないフィルターなどの用途が考えられるとも書かれていました。


●実は大したことない?発想自体は突飛でもないとのコメントも

 一応あり得ない話ではないように見えますが、ツッコミがないかとはてなブックマークも確認。すると、珍しく有用な話がなく、後出しジャンケンでマウンティングするようなコメントが人気に。ひょっとしたら似たような原理ですでに実用化されているものがあるかもしれないとは私も思いますけど…。

<(大きな物ではなく)重い物だけが沈んで通れるのだと考えれば発想自体は突飛でもないと思う。耐久性が高いのは面白い点>

 あと、物体が通過したことで一瞬穴が開くことに関して疑問に思っているコメント。

Mystica_another <一時的に出来た穴をろ過したい粒子が一緒に通り抜けてしまう可能性があるけど、そこはどうやって判別するのだろう?>

 ただ、実用的には問題ないんじゃないかと思うんですよ。現状のフィルターでも、用途によって精度が異なっており、「これで十分」などといった程度があります。真逆フィルターの精度が上がらなくても、複数の真逆フィルターを通すことにより、精度を上げられるでしょう。工業的にもフィルターを他の集塵機と組み合わせて使うことが一般的です。

 今回の真逆フィルターも複数のものを組み合わせたり、既存のフィルターなどと組み合わせたりすると、大きいだけ・小さいだけでない真ん中のものを選んで分離する…といった使い方もできそうで、おもしろそうです。

(2020/09/22追記:続報がないか検索してみたものの、実用化された…といったニュースは見当たりませんでした。「画期的!」といった感じで発表された研究のほとんどは実用化されずに終わります。日本の研究でもよくありますね。おもしろい研究だったので、実用化されてほしいところなんですが…)


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