超疎水性表面では「氷の橋」が宙に浮くことで霜の広がりが遅くなることが判明
霜は身近な迷惑ものである——車のフロントガラス、冷蔵庫のコイル、航空機の翼、熱交換器などに発生する——しかし、その広がり方の物理には、エンジニアが今や活用できる重要な微妙な点がある。今年初めにNature Physicsに掲載され、7月9日にPhysics Worldが報じた研究によると、霜は必ずしも表面に沿って成長するわけではない。超疎水性材料では、空気中を飛び越えるのである。
この発見は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のSiyan YangとNenad Miljkovicが率いるチームが、北京科技大学およびETHチューリッヒの同僚とともに行ったもので、霜の物理学における長年の仮定を覆すものである：凍結する水滴を結ぶ細い連結部である氷の橋は、常に基質に沿って形成されるというものである。
霜の成長の2つのモード
水滴が冷たい表面で凍結するとき、単にその場で氷になるわけではない。水滴が凍結する際、凍結中に放出される潜熱により、隣接する過冷却水滴も凍結し始め、成長する「氷の橋」——凍結した水滴から未凍結の隣接水滴に伝播する細い氷のフィラメント——によって接続される。この橋の伝播速度と形状が、霜が表面を覆う速さを決定する。
親水性表面（接触角が約90°未満）では、氷の橋は基質に沿って成長する2Dの「土手道」として形成される。橋は表面と直接接触しており、効率的な熱伝達と比較的速い伝播を可能にする。
超疎水性表面——水を弾くように設計され、接触角が150度以上の材料——では、チームは根本的に異なるメカニズムを発見した。表面に沿って成長する代わりに、氷の橋はその上に浮いた状態で形成される：一滴から次の滴へと空気中を弧を描く3Dフィラメントで、水滴の基部でのみ表面に接触する。
臨界角
2つのモード間の移行は、約105°の臨界見かけ接触角で発生する。この閾値を超えると、浮遊橋メカニズムが支配的になる。この発見は、焦点面シフトイメージング（FPSI）によって可能になった。これは、異なる焦点深度での一連の2D画像から3D構造を再構成するプロファイル測定技術である。標準的な光学顕微鏡では垂直方向が圧縮され、表面に載った橋とその上に浮いた橋を区別できない。
チームが何を探すべきかを知ると、その意味は明らかになった。
より遅い伝播
浮遊橋は、表面結合の橋よりも80%以上遅く伝播する。その理由は2つある：橋がより長い（表面に沿うのではなく空気中を弧を描かなければならない）ことと、基質との熱交換効率が低い（空気層が断熱材として機能する）ことである。
実用的な意義は直接テストされた。メートルサイズのフィンチューブ式アルミニウム熱交換器——空調、冷蔵、ヒートポンプシステムで使用されるタイプ——に超疎水性コーティングを施すと、霜の伝播時間がほぼ2倍になり、霜の被覆開始が遅れた。
着氷防止設計への意味
この発見は、超疎水性表面が長い間、霜の形成を抑制することが観察されてきた理由についてのメカニズム的説明を提供する。さらに重要なことに、設計原則を示唆している：氷の初期核生成を遅らせることだけに焦点を当てるのではなく——これがこれまでの主流の着氷防止戦略であった——表面自体の氷の橋成長の形状を制御するように設計し、より遅い浮遊モードを促進することができるのである。
この研究は、UIUCの空調冷凍センター（ACRC）および九州大学のカーボンニュートラルエネルギー国際研究所（WPI-I2CNER）の支援を受けた。
雅子 訳
出典：
1. Yang, S., Chu, F., Ganesan, V. et al. “Growth and control of suspended ice bridges during sessile droplet freezing.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03296-2
2. Dumé, I. “Frost spreads across surfaces via suspended ‘ice bridges.'” Physics World, July 9, 2026. https://physicsworld.com/a/frost-spreads-across-surfaces-via-suspended-ice-bridges/