本当に聞きたいのですが、色付きのストリップ歯磨き粉から絞り出された色はなぜ混ざらないのでしょうか?

色のついた縞模様の歯磨き粉といえば、家に一個くらいあるという人も多いのではないでしょうか。不思議なのは、この色付きの歯磨き粉をどのように絞っても、絞ったペーストの色がはっきりと残り、混ざらないことです。

なぜこれらの色素は歯磨き粉のパッケージの中で混ざらないのでしょうか?色を自動的に区別できるのは、歯磨き粉が非ニュートン流体だからだと言う人もいれば、歯磨き粉がビンガム流体だからだと言う人もいます。では、歯磨き粉のカラーストリップを自動的に分離できるのは誰でしょうか?ビンガム流体と非ニュートン流体の関係は何ですか?以下でそれについてお話ししましょう。

カラーストリップ歯磨き粉、画像出典：eコマースプラットフォームのスクリーンショット

ニュートン流体と非ニュートン流体

まず、ニュートン流体と非ニュートン流体についてお話しましょう。

日常生活では、水、牛乳、ジュース、空気、サラダドレッシング、ケチャップなど、さまざまな種類の液体を目にします。これらの液体は実際には同じではありません。

水、牛乳、ジュースなどの一般的な流体はニュートン流体とみなすことができます。このタイプの流体の特徴は、せん断応力がせん断ひずみ速度に比例することです。簡単に言えば、同じ温度と圧力の条件下では、液体の粘度は、液体が受ける外力とは無関係です。

例えば、ボトルから直接水を注いだり、ボトルを強く絞って水を絞り出したりしても、水の粘度はほとんど変化しません。

ニュートン流体の例えを使えば、非ニュートン流体は理解しやすくなります。流体の粘度が受ける外力に関係する流体を指します。

非ニュートン流体には、ずり粘稠化流体 (ダイラタント流体)、ずり流動化流体 (擬塑性流体)、ビンガム流体の 3 種類があります。

せん断増粘流体

名前の通り、外力が大きくなると粘度が上がるのがこのタイプの流体の特徴です。日常生活では、コーンスターチと水の混合物を見ることはよくあります。

ご興味がございましたら、ぜひお試しください。水とコーンスターチを1:1.25～1:1.3の割合で混ぜます。得られたデンプンペーストは、せん断増粘非ニュートン流体です。

力が比較的小さい場合は粘度が高くなく、指で軽くかき混ぜるだけで簡単に混ぜることができます。しかし、強く殴るなど、急に比較的大きな力を加えると、急激な外力を受けて粘度が上昇し、「硬くなる」ことになります。

しかし、歯磨き粉は明らかにこの非ニュートン流体の範疇に属していません。そうでなければ、歯磨き粉を強く絞れば絞るほど、絞り出すのが難しくなるはずです。

せん断減粘液

せん断増粘流体とは対照的に、この非ニュートン流体に適用される外力が大きくなるほど、その粘度は低下し、つまり薄くなります。実際、日常生活では非常によくあることです。人間の血液、ケチャップ、ピーナッツバターなどはすべて非ニュートン流体です。

家に瓶入りケチャップがあるなら、ぜひ試してみてください。瓶から直接注ぐと、ケチャップが非常に粘り気があり、注ぎにくくなります。ただし、注ぐときにボトルを振ると、ケチャップが薄まって自然に流れ出ます（他の人に飛び散らないように注意してください）。

歯磨き粉は外力を受けると押し出されますが、これはこのタイプの非ニュートン流体に少し似ていますが、実際にはそうではありません。歯磨き粉は、非ニュートン流体の 3 番目のタイプであるビンガム流体に属します。

ビンガム流体

この流体の数学的モデルはユージン・C・ビンガムによって提案されたため、ビンガム流体と呼ばれています。

この流体は、前述のずり減粘流体とは異なります。せん断減粘流体に対する外力が増加すると、粘度は徐々に低下します（つまり、流動性は徐々に増加します）。

外力が全くないか、あるいは外力が比較的小さい場合、ビンガム流体は固体の特性を示します。臨界値に達するまで流動性は示されません。外力が臨界値に達すると、突然流動性を示します。歯磨き粉はこのタイプの液体に属します。

通常の保管および輸送中、歯磨き粉は外力を受けることがほとんどなく、ほぼ固体とみなすことができます。外部からの力で圧迫された場合にのみ、粘性のある液体のように押し出されます。さらに、外力が止まると中の歯磨き粉は流れ出なくなるので、歯磨き粉があちこちに広がることもありません。

もちろん、絞り出した歯磨き粉が誤ってシンクに落ちてしまった場合、自然に流れ去ることはなく、掃除するまで固形物としてそこに残ります。

ビンガム流体により、カラーストリップを「自動的に分離」できる

ビンガム流体の特性を知ると、色の縞模様が「自動的に分離」される理由がわかります。外力がまったくないか、外力が十分でない場合は、色のついた帯は固体とみなされ、隣接する色と混ざることは決してありません。

歯磨き粉は絞った後、流れ出ますが、まだ比較的粘性があるため、歯ブラシの上に個別のストリップの形で現れることがあります。

もちろん、色のついた部分と白い部分が前後に分かれているカラーストライプの歯磨き粉もあり、キャップ内部に特殊な構造が採用されています。

特別にデザインされた歯磨き粉のキャップ、画像出典: 参考資料 4

絞ると、真ん中のざらざらした穴から、奥の白い歯磨き粉が絞り出されます。先端の色のついた歯磨き粉は、粗い穴の隣にある小さな穴から絞り出されます。この方法では、絞り出された歯磨き粉は、色のついた帯状の形になることもあります。

特別な色のストライプの歯磨き粉キャップ、画像ソース: Play with me - Toys for Kids

歯磨き粉の端にある小さな四角の色。

歯磨き粉の成分が天然か化学的なものかわかりますか？

歯磨き粉の「カラーストリップ」に関連するコンテンツを検索したところ、カラーストリップに関する噂も見かけたので、ここで説明したいと思います。

歯磨き粉のパッケージの端に小さな「カラーストリップ」の四角形が付いていることに気づいたことがあるでしょうか。かつて、次のような噂が広く流布していました。「純粋な天然成分の歯磨き粉の場合、末尾の小さな四角は緑色である。」天然成分と薬が配合された歯磨き粉の場合、小さな四角は青色です。小さな四角が黒ければ、その歯磨き粉は完全に化学成分で作られていることを意味します。

画像出典: 中国科学普及協会

尾部のラベルと色の対応はまったく根拠がありません。歯磨き粉の端にある色付きのラベルは、機械が歯磨き粉の端を見つけ、その位置に基づいてカットしてパッケージ化できるようにするためのものです。

異なる色は、パッケージの色と区別し、機械による認識を容易にするための便宜上のものであり、歯磨き粉の成分とは一切関係ありません。しかし、歯磨き粉の成分をよく見てみると、この噂は裏切りであることがわかります。緑色のラベルが付いた歯磨き粉の成分には、いわゆる「化学物質」が明記されているものが多くあります。したがって、ラベルの色で成分を判断するという主張は根拠がなく、「化学物質」そのものについて慌てる必要はありません。

参考文献

[1]https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/bulletin/13/nbsbulletinv13n2p309_A2b.pdf

[2] https://www.colgate.com.hk/oral-health/selecting-dental-products/what-is-a-toothpaste-color-code

[3] https://www.sciencefocus.com/science/triped-toothpaste

[4] https://patents.google.com/patent/US5324505A/ja

[5] http://www.cocia.org/detail/985/

企画・制作

著者: Science Scraps ポピュラーサイエンスクリエイター

レビュー丨上海工程科学大学教授孫明軒

企画丨鍾延平

編集者：鍾延平

校正：徐来林