アブレーション

アブレーション（ラテン語：ablatio – 除去）は、蒸発、削り取り、 侵食プロセス、またはその他の手段によって物体から何かを除去または破壊することです。アブレーション材料の例を以下に説明しますが、これには上昇および大気圏再突入用の宇宙船材料、氷河学における氷と雪、医学における生物組織、受動的な防火材料が含まれます。

人工知能（AI）、特に機械学習において、アブレーションとはAIシステムのコンポーネントの除去を指します。^[1]この用語は生物学との類推で、生物のコンポーネントの除去に由来しています。

生物学的アブレーションとは、生物学的構造または機能の除去です。

遺伝子アブレーションは遺伝子サイレンシングの別名で、遺伝子配列情報の変更または削除によって遺伝子発現が廃止される。細胞アブレーションでは、集団または培養物中の個々の細胞が破壊または除去される。どちらも機能喪失実験などの実験ツールとして使用できる。^[2]

医学において、アブレーションとは、通常は外科手術によって生体組織の一部を除去することです。皮膚の表面アブレーション（皮膚剥離術、再生を促すためリサーフェシングとも呼ばれる）は、化学物質（化学アブレーション）、レーザー（レーザーアブレーション）、凍結（冷凍アブレーション）、または電気（高周波療法）によって行うことができます。その目的は、皮膚のシミ、老化した皮膚、しわを取り除き、皮膚を若返らせることです。表面アブレーションは、いびきに対する手術など、耳鼻科のいくつかの種類の手術にも使用されています。高周波アブレーション（RFA）は、低侵襲手術によって体内の異常組織を除去する方法であり、上室性頻拍、ウォルフ・パーキンソン・ホワイト症候群（WPW）、心室性頻拍などのさまざまな不整脈の治療に使用され、最近では心房細動の管理にも使用されています。この用語は、レーザーが物質の分子結合を溶解するプロセスであるレーザーアブレーションの文脈でよく使用されます。レーザーが組織をアブレーションするには、出力密度またはフルエンスが高くなければなりません。そうでない場合は、単に組織が熱で蒸発する熱凝固が起こります。

ロータブレーションは動脈洗浄の一種で、先端にダイヤモンドが付いたドリルのような小さな器具を患部の動脈に挿入して脂肪沈着物やプラークを除去するものです。この処置は冠状動脈疾患の治療に使用され、血流を回復させます。

マイクロ波アブレーション(MWA) は RFA に似ていますが、電磁放射の周波数が高くなります。

高密度焦点式超音波（HIFU）アブレーションは、体内から非侵襲的に組織を除去します。

骨髄アブレーションは、骨髄移植に備えて人間の骨髄細胞を除去するプロセスです。これは、高強度化学療法と全身照射を使用して実行されます。したがって、この記事の残りの部分で説明する蒸発技術とはまったく関係がありません。

脳組織の切除は、特定の神経疾患、特にパーキンソン病の治療に使用され、時には精神疾患の治療にも使用されます。

最近、一部の研究者が遺伝子除去の成功例を報告しました。特に、遺伝子除去は、特定の細胞を欠く動物を大量に生成できるため、腫瘍細胞などの不要な細胞を除去するためのはるかに効率的な方法になる可能性があります。遺伝子除去された系統は長期間維持でき、研究コミュニティ内で共有できます。コロンビア大学の研究者は、C.エレガンスとヒトから組み合わせた再構成カスパーゼが、高度な標的特異性を維持していると報告しています。ここで説明されている遺伝子除去技術は、がんとの戦いに役立つ可能性があります。^[3]

電気アブレーションは、金属加工物から材料を除去して表面粗さを減らすプロセスです。

電気アブレーションは、チタンやその他の特殊金属や合金に見られるような高抵抗の酸化物表面を、その下にある非酸化金属や合金を溶かすことなく破壊します。これにより、非常に迅速な表面仕上げが可能になります。

このプロセスは、チタン、ステンレス鋼、ニオブ、クロムコバルト、インコネル、アルミニウム、および広く入手可能なさまざまな鋼および合金を含む、広範囲の珍しい金属および合金と広く使用されている金属および合金の表面仕上げを行うことができます。

電気アブレーションは、金属ワークピース（部品）の穴、谷、隠れた表面または内部表面の高度な表面仕上げを実現するのに非常に効果的です。

このプロセスは、3D プリントされた金属など、積層製造プロセスによって製造される部品に特に適しています。これらの部品は、5 ～ 20 ミクロンを超える粗さレベルで製造される傾向があります。電気アブレーションを使用すると、表面粗さを 0.8 ミクロン未満に素早く低減できるため、後処理を大量生産の表面仕上げに使用できます。

氷河学と気象学では、積雪の反対であるアブレーションは、氷河や雪原から雪、氷、水を除去するすべてのプロセスを指します。^[4]アブレーションとは、氷河から流れ落ちる雪や氷の融解、蒸発、昇華、氷の分離、または風による雪の侵食除去を指します。気温は通常、アブレーションの主な制御因子であり、降水量は二次的な制御因子です。温帯気候で​​のアブレーションシーズンでは、アブレーション速度は通常、平均で約 2 mm/h です。^[5]太陽放射が雪のアブレーションの主な原因である場合 (たとえば、晴天で気温が低い場合)、雪の表面にサンカップやペニテンテなどの特徴的なアブレーションテクスチャが発生することがあります。^[6]アブレーションは、氷河の上部表面からの質量損失、または氷河末端の表面での海洋による融解と氷の分離を指す場合があります。^[7]

アブレーションとは、氷や雪を除去するプロセス、または除去された氷や雪の量を指します。

岩屑で覆われた氷河も融解プロセスに大きな影響を与えることがわかっています。氷河の上部には薄い岩屑層があり、氷の下の融解プロセスを激化させます。融解中の氷河の岩屑で覆われた部分は、氷崖、池、岩屑の3つのカテゴリに分けられます。これらの3つのセクションにより、科学者は岩屑で覆われた領域で消化された熱を測定し、計算することができます。計算は、岩屑で覆われた領域全体に関する面積と純吸収熱量に依存します。これらのタイプの計算は、将来の融解パターンを理解し分析するために、さまざまな氷河に対して行われます。^[8]

モレーン（氷河堆積物）は、氷河本体の物質が斜面を下って移動する自然のプロセスによって移動します。氷河の傾斜が急すぎると、堆積物は氷河に沿ってさらに遠くまで移動し続けることに注意してください。氷河の大きさと場所は世界中で異なるため、気候と物理的地形に応じて堆積物の種類が異なります。堆積物のサイズと大きさは氷河の面積に依存し、ほこりほどの破片から家ほどの大きさのブロックまでさまざまです。^[9]

氷河表面の堆積物の影響を実証する実験は数多く行われてきました。国立極地研究所の藤井善之教授は、自然の雪面と比較して、薄い堆積物層の下では融解速度が加速され、厚い堆積物層の下では減速されることを示す実験を設計しました。^[10]この科学は、水資源の長期的な利用可能性と気候変動に対する氷河の反応を評価することの重要性から重要です。^[11]天然資源の利用可能性は、融解プロセスに関する研究と氷河の全体的な研究の背後にある大きな原動力です。

レーザーアブレーションは、材料の性質とエネルギー吸収能力に大きく影響されるため、アブレーションレーザーの波長は最小限の吸収深度を持つ必要があります。これらのレーザーは平均出力が低いものの、ピーク強度とフルエンスは次の式で表されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{強度}}(\mathrm {W} /\mathrm {cm} ^{2})&={\frac {{\text{平均出力}}(\mathrm {W} )}{{\text{焦点面積}}(\mathrm {cm} ^{2})}}\\[5pt]{\text{ピーク強度}}(\mathrm {W} /\mathrm {cm} ^{2})&={\frac {{\text{ピーク出力}}(\mathrm {W} )}{{\text{焦点面積}}(\mathrm {cm} ^{2})}}\\[5pt]{\text{フルエンス}}(\mathrm {J} /\mathrm {cm} ^{2})&={\frac {{\text{レーザーパルスエネルギー}}(\mathrm {J} )}{{\text{焦点面積}}(\mathrm {cm} ^{2})}}\end{aligned}}}$

ピーク電力は

${\displaystyle {\text{Peak power }}(\mathrm {W} )={\frac {{\text{pulse energy }}(\mathrm {J} )}{{\text{pulse duration }}(\mathrm {s} )}}}$

現在では、エキシマレーザーシステム（LASIKおよびLASEK ）を使用した、いくつかの種類の眼屈折矯正手術のための角膜表面アブレーションが一般的になっています。角膜は再生しないため、レーザーを使用して角膜の屈折特性を再構築し、乱視、近視、遠視などの屈折異常を矯正します。レーザーアブレーションは、月経や子宮腺筋症の問題を抱える女性の子宮壁の一部を除去するためにも使用され、子宮内膜アブレーションと呼ばれます。

研究者らは、超短パルスダイオードレーザー光源からの集束レーザービームを使用することで、周囲の健康な組織への熱ダメージを最小限に抑えながら表面下の腫瘍を除去する技術に成功したことを実証した。^[12]

防汚塗料やその他の関連コーティングは、レクリエーション用、商用、軍事用の船舶の船底表面に微生物やフジツボなどの動物が付着するのを防ぐために日常的に使用されています。この目的では、防汚剤の希釈や不活性化を防ぐために、アブレーション塗料がよく使用されます。時間の経過とともに、塗料は水中でゆっくりと分解し、表面に新しい防汚化合物が露出します。防汚剤とアブレーション率を設計することで、生物付着の有害な影響から長期間保護することができます。

防火および耐火製品は、本質的にアブレーション性があります。これは、吸熱性材料、またはシリコン防火製品のように、火にさらされると時間の経過とともに犠牲になり「消耗」する材料を意味します。火または熱条件下で十分な時間を与えると、これらの製品は焦げ、崩れ、消えます。アイデアは、火災試験で実証されるように、耐火性等級のレベルを維持できるように、この材料を火の方向に十分に置くことです。アブレーション性材料は通常、高濃度の有機物^{[引用が必要]}を含み、これは火によって灰になります。シリコンの場合、有機ゴムは非常に細かく分割されたシリカ粉塵(この粉塵 1 グラムあたり、すべての粉塵粒子の合計表面積は最大 380 m ^{2 [引用が必要]} ) を囲みます。有機ゴムが火にさらされると、灰に燃え、製品の元の シリカ粉塵が残ります。

原始惑星系円盤は、若い、形成されたばかりの恒星の周りを回転する高密度のガスと塵の円盤です。星形成後間もなく、恒星は重力でまだ束縛されている周囲の物質を残していることが多く、土星の環とあまり変わらないように、恒星の赤道の周りを公転する原始的な円盤を形成します。これは、形成中に原始星の物質の半径が減少することで角運動量が増加するため、この残留物質が恒星の周りの平坦な恒星周円盤に巻き込まれるために発生します。この恒星周円盤は最終的に、原始惑星系円盤と呼ばれる、惑星系の形成の元となるガス、塵、氷、その他の物質の円盤に成熟する可能性があります。これらの円盤では、円盤のより冷たい中央面で、塵の粒子と氷がくっついて、軌道上の物質が集積し始めます。これらの小さな集積は小石から岩石、そして微惑星と呼ばれる初期の赤ちゃん惑星、そして原始惑星、そして最終的には完全な惑星へと成長します。^[13]

大質量星は（重力不安定性などによって）星形成を活発に引き起こす役割を果たしていると考えられているため、 ^[14]円盤を持つ若くて小さな星がより古くて大質量の星の比較的近くに存在する可能性があると考えられます。これは、トラペジウム星団などの特定の星団で観測によってすでに確認されています。^[15]大質量星は寿命の終わりに超新星爆発によって崩壊する傾向があるため、そのような爆発の衝撃波とその結果生じる超新星残骸（SNR）が原始惑星系円盤の射線上で発生した場合にどのような役割を果たすかが現在調査されています。計算モデルによるシミュレーションによると、SNRが原始惑星系円盤に衝突すると、円盤が大幅にアブレーションされ、このアブレーションによって円盤からかなりの量の原始惑星物質が剥ぎ取られますが、必ずしも円盤が完全に破壊されるわけではありません。^[16]これは重要な点です。なぜなら、このような相互作用を生き延び、惑星系を形成するのに十分な物質を残したディスクは、SNRから変化したディスクの化学特性を受け継ぐ可能性があり、それが後に形成される惑星系に影響を及ぼす可能性があるからです。

宇宙船の設計では、アブレーションは、極度の高温によって損傷を受ける機械部品やペイロードを冷却および保護するために使用されます。主な用途は、宇宙から惑星の大気圏に突入する宇宙船の熱シールドと、ロケットエンジンのノズルの冷却の 2 つです。例としては、大気圏再突入の熱から宇宙飛行士を保護したアポロ司令船や、熱対流が起こらないため宇宙真空環境でのみ使用するように設計されたケストレル第 2 段ロケット エンジンなどがあります。

基本的に、アブレーション材は、熱が宇宙船の構造に伝わるのではなく、材料の外面のみが加熱効果の大部分を負担するように設計されています。外面は焦げて燃え尽きますが、非常にゆっくりと、その下にある新しい保護材料が徐々に露出するだけです。熱はアブレーションプロセスによって生成されたガスによって宇宙船から運び去られ、表面材料を貫通することはないため、それらが保護する金属やその他の敏感な構造は安全な温度に保たれます。表面が燃えて宇宙に拡散すると、残った固体材料は、継続的な熱と過熱ガスから宇宙船を保護し続けます。アブレーション層の厚さは、ミッション中に遭遇する熱に耐えるのに十分であるように計算されています。

宇宙飛行研究には、最高の耐火性能を達成するための新しい耐火材料の探索を含む一分野があります。この機能は、宇宙船の乗員とペイロードを過度の熱負荷から保護するために重要です。 ^[17] 同じ技術がいくつかの受動的な防火用途で使用されており、場合によっては同じベンダーによって、航空宇宙用と構造防火用のさまざまなバージョンの耐火製品が提供されています。

• 電気アーク フラッシュによる火傷
• アブレーティブアーマー

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• ケミカルピーリング。アメリカ皮膚外科学会。
• レーシックレーザー眼科手術。米国食品医薬品局の情報。
• レーザーアブレーションの物理学