極大極小3

サイクロトロンとマイクロマシン

では、究極の基本粒子と考えられているクォークの存在はどのよう
にして確かめられるのだろうか。そこで登場してくるのがサイクロ
トロンという加速器である。これは人が作り出した機械的構造物と
してはおそらく極大の機器であろうと思われる。

中にはアメリカのブルックヘブン国立研究所にある｢衝突型重イオ
ン加速器｣のように直径約1.24kmの二重加速リングを持つものまで
ある。さらにアメリカでは１周の大きさが87kmもある超巨大超電導
加速器計画がスタートしている。直径約28kmである。その大きさや
建設に要する費用等の点から、人類が手にできる最後で最大の加速
器となる可能性が大きいといわれるものだ。

このような極大の機器を用いて究極の極小粒子を研究するというの
も、極大極小というパースペクティブで眺めると、科学とはなんと
も不思議なものだという気がする。

ここで極大のサイクロトロンについてを詳述すべき誌面がない。文
末にサイクロトロンに関するサイトを記しておくに留めて、話を対
極にある極小の機械構造物に進めたい。それは、マイクロマシンで
ある。サイクロトロンとは目的も構造も異なるが機械構造物･極小
というパースペクティブで考えるとき、これ以外、思いつかない。

マイクロマシンは、これまでの機械が入り込めない狭くて小さな場
所や危険を伴う場所での作業を行うために開発されつつある自走型
のロボットといえばいいだろう。特に医療分野や産業の世界で強く
要望されている。しかし残念ながら望まれるようなマイクロマシン
はまだまだ夢の段階であり、実現するためには多くの課題がある。

そのようなマイクロマシンとなるとそのスケールオーダーはμmで
ある。この大きさになると実は、mmやcmの単位の法則が通用しなく
なり、大きな機械の単なる小型版をつくってもうまく動かない。ス
ケーリング則が働くからだ。

これは物質量が寸法の何乗に比例して変化するかを示す法則で、そ
こで生まれる変化をスケーリング効果と呼んでいる。例えば、体積
は寸法の３乗に比例するスケーリング効果を持つ。つまり小さくな
るほど慣性が相対的に弱くなる。また面積では寸法の２乗に比例し
てスケーリング効果が現れる。小さくなるほど放熱や熱吸収がよく
なったり、表面摩擦が大きくなるようなことである。

こうしたことを考えると、血液中にマイクロマシンを走らせて患部
に直接薬剤を投与することを考える場合、スケーリング効果で体液
の粘度が相対的にきわめて大きなものとなり、液体の中を走らせる
という技術ではどうにもならなくなる。まるで粘土の中を動かすよ
うなものとなってしまうのだ。

と同時に、このマイクロマシンの自立走行性に対してどのようにエ
ネルギーを与え続けるかも重要な技術課題である。まさかマイクロ
マシンにエネルギー供給のコードを付けたまま走らせるわけにはい
かないだろう。そうした研究もさらに進められている。その研究成
果は文末に紹介するＵＲＬのサイトで、覗いてみていただきたい。

[4]へ続く