マイクロマシン2

一般的な法則が通じない極微小世界

今、ミニチュアマシンとマイクロマシンという言葉を使い分けて書
いた。ではそこにはどんな差があるのだろうか。ミニチュアマシン
も一種のマイクロマシンである｡だがそのスケールはmm(ミリメート
ル)サイズであり､この程度なら従来の精密機械工業的加工法の延長
として大型機械そっくりの小型機械をつくることが可能だ。

しかしマイクロマシンとなるとそのスケールオーダーはμm(マイク
ロメートル)となる。１mmの1000分の1の世界だ。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といわれる。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
示す法則であり、そこで生まれる変化をスケーリング効果と呼ぶ。

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。これを
もう少し分かりやすい例で見てみよう。

ふつう、空中で物を手から放せば落下する。だがミクロの世界では
あまりに軽いため空気との摩擦によって空中に浮遊してしまう。ス
ギ花粉が山奥から都会にまで飛んでくるのも、スケーリング効果に
よって浮いているためだ。またこんなこともある。映画『ミクロの
決死圏』で体内に潜入させたミクロ潜水艇は、実はスクリューを回
しても前進できないというのだ。どういうことだろうか。

スクリューは、水を後ろに押し出す慣性力によって船体を進めてい
る。ところがこのとき、潜水艇の表面には水の粘性抵抗力が生じて
いる。この粘性抵抗力がミクロ潜水艇にとっては致命的なものにな
るのだ。私たちの世界ではこの粘性力に対する慣性力の比率、つま
りレイノルズ比が大きいため粘性力は問題にならない。が、ミクロ
潜水艇の世界では、このレイノルズ比が１程度になって粘性抵抗力
と慣性力とがほとんど同じになってしまい、まるでねばねばの液の
中にいるようで、ほとんど動くことができなくなってしまうのだ。

さらに、熱交換や化学反応も、物体の表面積に比例して速度が決ま
るため、相対的に表面積の大きくなるミクロの世界では、ふだんな
ら燃えると思えない超微粒子の鉄が、ある温度以上で空気にさらさ
れた瞬間に燃え上がるという現象も起きる。ミクロの世界はこのよ
うに物質の一般常識と違う世界が現出する。だから､μm単位のマイ
クロマシンは、スケーリング則に基づいてうまく働くことが保証さ
れているような原理、つまり微小化に適した原理を用いて製作され
なければならないということになる。

[3]へ続く