公開日：2025年8月11日午前8時34分（米国東部夏時間）
質問：錆とは何ですか？ – ヘンリー・E、13歳、マサチューセッツ州ボストン、アメリカ合衆国
答えてくれる先生：Guangwen Zhou
ピカピカの金属製自転車を雨の日に屋外に放置したと想像してみてください。自転車の表面に水が溜まると、空気中の酸素が近くに滞留し、金属を静かに侵食し始めます。
自転車に含まれる鉄 (Iron)と、環境中の酸素 (Oxygen)と水 (Water)が化学反応を起こします。その結果、酸化鉄（通称サビ: Rust）が形成され、時間の経過とともに蓄積されます。この赤褐色の薄片状の物質は、単に見た目が悪いだけでなく、金属が劣化している兆候でもあります。
化学者はこのプロセスを酸化と呼びます。鉄はスーパーヒーローのように、強靭で耐久性があり、ピカピカです。しかし、その弱点である水分と空気に出会うと、鉄は弱くなります。水は鉄原子から電子（マイナスに帯電した粒子）を放出しやすくします。酸素は小さな電子泥棒のように働き、電子を奪い、金属を弱く脆くします。
家庭や産業で使用されている光沢のある金属鉄は、自然界に存在する鉄鉱石を精製したものです。錆は自然のプロセスであり、精製された鉄は、本来の酸化された安定した状態、つまり鉄鉱石に戻ろうとします。
自転車や車から橋や船まで
家庭用の備品から巨大な機械まで、金属が湿気と時間経過に触れるところに錆が発生します。
自転車や車の場合、雨と露出した金属の組み合わせが、フレームや車台を腐食させ、本格的な錆の発生を引き起こすことがよくあります。古い水道管もまた、腐食の温床です。時間の経過とともに内部から腐食し、茶色く錆びた水がシンクや浴槽に漏れ出すことがよくあります。キッチンでは、シンクや蛇口の周りに水が溜まると、黄色がかったオレンジ色の錆びが発生します。これは、見た目が悪いだけでなく、落とすのも難しいものです。
はるかに大きな規模で見ると、錆は船舶や橋に甚大な被害をもたらす可能性があります。腐食した船体は油漏れや壊滅的な沈没につながり、海運業界は毎年数十億ドルもの修理費と環境被害を被っています。
さらに、塩分は錆の発生を加速させます。雪国では、道路に撒かれた塩分は氷を溶かすだけでなく、酸化を促進し、腐食を加速させます。そのため、雪国では車が錆びやすくなるのです。
錆 (rust) とは、鉄や鋼に発生する特定の種類の腐食を指す用語です。しかし、どんな金属も酸素や湿気などの環境要因との反応によって化学的に劣化する可能性があります。
古い彫像でさえも錆から逃れることはできません。公園や広場で見かける緑青の像は塗料ではありません。それは緑青 (patina)、つまり銅版の錆です。見た目はより美しいものの、緑青も腐食の一種です。
どうすれば錆を防ぐことができるのでしょうか？
錆の背後にある化学を理解することで、人々は錆の進行を遅らせたり、完全に止めたりする賢い方法を見つけ出し、橋から自転車まであらゆるものを保護してきました。
最も簡単な方法の一つは、金属の表面に塗装することです。塗料は防水ジャケットのような役割を果たし、金属を空気と湿気（錆の2大要素）から遮断します。
金属を乾燥した状態に保つことも、実用的な防御策の一つです。工具は湿気を最小限に抑えるため、乾燥した場所や除湿器のそばに保管されることがよくあります。
もう一つの技術は、亜鉛メッキです。これは、ある金属を亜鉛などの反応性の高い金属でコーティングするものです。亜鉛は鉄よりも腐食しやすく、空気と湿気にさらされると安定した酸化亜鉛層 (a stable layer of zinc oxide) を形成します。この酸化亜鉛は、さらなる腐食を防ぐ保護バリアとなりますが、徐々に摩耗し、その下にある鉄が再び錆びやすくなるまで続きます。
そしてステンレス鋼 (stainless steel) があります。これは、鉄とクロム (chromium) などの他の金属を混ぜ合わせた耐食性のある合金 (an alloy)です。空気に触れるとクロムは独自の錆び方をし、安定した酸化クロム層を形成します。
この層は非常に薄く、人間の髪の毛の10万分の1の薄さです。肉眼では見えず、金属表面にしっかりと密着し、それ以上の酸化を防ぎます。また、酸化クロム層は自己修復性も備えており、傷がついても、露出したクロムがすぐに保護バリアを再形成します。そのため、ステンレス鋼はキッチンシンクから外科用器具まで、あらゆるものに使用されています。
原子レベルで錆を観察する
私は材料科学者として、透過型電子顕微鏡 (transmission electron microscopes) などの高度な画像化ツールを用いて、金属が原子レベルでどのように酸化されるかを研究しています。私達は微細な金属原子が電子を失い、酸素原子が電子を得る様子を、リアルタイムで観察することができます。
例えば、ある研究では、アルミニウムが酸素や水蒸気にさらされると、薄い酸化アルミニウムの層が瞬時に形成される様子を観察しました。この酸化層は鉄の錆のように剥がれるのではなく、均一で強固に結合した保護コーティングを形成し、それ以上の酸素や水が下層の金属に到達するのを防ぎます。そのため、アルミニウムは腐食に強いのです。一方、鉄の錆層は多孔質 (porous) で、反応が継続してしまうのです。
酸化 (oxidation) は、錆を引き起こすなど有害な場合もありますが、金属を保護するために活用すれば有益な場合もあります。これらのプロセスをリアルタイムで観察することで、私と同僚は、より長く使い続け、日常生活でより良く機能する材料の開発を目指しています。例えば、より強固な橋梁、より効率的なバッテリー、より安全な航空機の建設などです。
この記事は、クリエイティブコモンズライセンス(CCL)の下で The Conversation と各著作者からの承認に基づき再発行されています。日本語訳は archive4kids の翻訳責任で行われており、The Conversationによる正式な翻訳ではありません。オリジナルの記事を読めます。original article.
