シャボン玉吹き科学指導マニュアル

制作：中国科学普及協会

著者：郭飛（煙台大学）

プロデューサー: 中国科学博覧会

空を舞うカラフルなシャボン玉は、誰もが一度は見たことがある子供時代の思い出でしょう。

（写真提供：Veer Gallery）

実際、気泡の発生は日常生活で非常に一般的な現象であるだけでなく、多くの産業分野でも気泡の発生と除去が関わっています。さらに、これらの小さな気泡に対処することも、業界にとって重要なリンクとなる可能性があります。これにより、科学者は泡に対して子供のような興味を持つようになります。

今日の記事では、泡の謎を探り、科学的に泡を吹く方法を紹介します。

パシュミヌによるシャボン玉のマクロ撮影

(画像出典: Wikipedia)

あなたを愛してあなたを憎むのは、あなたを研究するよりも悪い

泡の発生は私たちにとって馴染み深い自然現象ですが、実は工業製品の品質を左右する重要な要素なのです。

たとえば、金属表面に電気メッキを施す場合、処理が進むにつれてコーティングの表面近くに多数の気泡が発生することがよくあります。したがって、コーティングの細孔欠陥を回避するために、特定の消泡剤を配合物に追加する必要があります。金属やガラスの溶解プロセスもこれに似ています。また、品質に影響を与える金属鋳物やガラス製品における気泡の抑制や気孔の発生を最小限に抑えることも目指しています。

鋳物の気孔率、オリオン・ローラー著

(画像出典: Wikipedia)

業界の特定のリンクに影響を及ぼすことに加えて、自然界の泡は人々にも問題を引き起こす可能性があります。

湖などの流動性の悪い自然の水域の表面には、大量の泡が浮いているのがよく見られます。これらのフォームは界面活性剤を豊富に含んでいるため、簡単には壊れません。水面に浮かび、水中に浮遊する懸濁物質や微生物に対して強力な吸着効果を発揮します。

これらの泡は見た目ほど無害ではありません。この泡が汚染された水域の上に発生した場合、泡が破裂すると大量のエアロゾルが周辺地域に放出され、湖の周辺地域が汚染されることになります。そのため、下水処理の過程では、まず表面に浮遊している泡を回収することがよく行われます。

米国南カリフォルニアの汚染された川。大量の白い泡がはっきりと見える。

(画像出典: Wikipedia)

泡はしばしば私たちの悩みの種になりますが、時には私たちの友達にもなります。

消泡剤とは対照的に、発泡剤は意図的に大量のガスを発生させる化学物質です。たとえば、特定のプラスチックの製造工程では、発泡剤によってプラスチック製品に均一な大きさの穴が多数開きます。これらの穴により、完成品の密度が大幅に低減され、コストが削減され、より軽いユーザーエクスペリエンスが実現します。また、気孔の数が多いと熱の拡散を阻害する恐れもあるため、住宅の外壁の断熱層は発泡プラスチックで作られることが多いです。菓子作りの過程での発酵や泡立ったクリームは、日常生活における泡の一般的な応用例です。

泡は非常に一般的であり、生産と生活に大きな影響を与えるため、科学者は数百年前から泡の研究を始めました。数学者は泡を使って、同じ表面積の下での最大建築スペースなど、空間内の物体の体積と表面積の関係を探ります。化学者は、新しい界面活性剤成分の開発など、泡に関連する化学的性質を研究します。物理学者はシャボン玉の蒸発や破裂などの挙動を説明しようとします。

Charlie Fong による、泡のデザイン要素を備えたウォーターキューブ

(画像出典: Wikipedia)

シャボン玉の新発見、人類は「完璧なシャボン玉」を吹けるようになるのか？

最近、フランスの科学者チームがシャボン玉の新たな挙動を発見しました。大きくて破裂しにくい、あなたが望むような「完璧な泡」さえも作り出します。

安定した泡の作り方を説明する前に、まずこの疑問について考えてみましょう。なぜシャボン玉は最終的に破裂するのでしょうか?

通常の状況では、シャボン玉は形成された後、必ず破裂します。これは、シャボン玉が本質的に液体によって形成された薄い膜であり、形成された後は自然に蒸発するからです。蒸発が進むにつれて、膜の表面の物質はどんどん少なくなり、最終的には、もともと完全だったシャボン玉にいくつかの弱い部分が現れ、シャボン玉全体が破裂する瞬間が来ます。

シャボン玉の挙動を説明するこれまでの物理モデルでは、科学者は一般的に、シャボン玉の温度は周囲の環境の温度と同じであると想定していました。しかし、フランスの科学者によるこの研究では、この仮定は正確ではないことが判明しました。

研究チームは、シャボン玉が蒸発すると、表面温度が周囲の環境と一定に保たれず、大幅に低下し、その温度差はシャボン玉溶液の組成の変化によって変化するということを発見した。極端な場合には、シャボン玉の表面温度が周囲の環境よりも 8°C 低くなることもあります。

この重要な情報を習得した今、破裂しにくいバブルを簡単に作成できるでしょうか?実際、フランスの科学者たちの研究結果は、シャボン玉の安定性に関する数学モデルを確立するには程遠いものです。それどころか、彼らの実験的結論のいくつかはモデルをより複雑なものにしました。

簡単に言えば、フランスの科学者たちの研究は、ある組成のシャボン玉がいつ破裂するかを予測することは非常に難しい問題であることを示しています。異なる温度での蒸発を考慮することに加えて、重力の影響要因もあります。結局のところ、シャボン玉の膜の中の液体が徐々に下方に移動し、膜の上部が薄くなり破裂する主な理由は重力です。

マイナス7℃で凍ったシャボン玉、ラリーパイロット作、

(画像出典: Wikipedia)

「パーフェクトバブル」石鹸液の配合が明らかに

シャボン玉液を自分で作った経験のある人は多いと思いますが、実際にやってみると、シャボン玉を大きく、たくさん、長持ちさせるのは簡単ではないことがわかります。

シャボン玉液が単なる石鹸水や洗剤水だと、泡立ちは良いものの、泡を大きくするのが難しく、すぐにはじけてしまいます。したがって、シャボン玉おもちゃを販売している業者には、ある程度の核心的な競争力があり、彼らの秘密のシャボン玉液の配合には、実は多くの謎が隠されています。

シャボン玉を吹く子供たち

(画像出典: Wikipedia)

科学者がシャボン玉の安定性の数学的モデルを確立することは困難ですが、この実験を主導したフランスの科学者たちは、自分たちが開発したシャボン玉の液体の公式も用意してくれました。この製法を使えば、直径5cm以上の大きさのシャボン玉を簡単に作れるだけでなく、1時間ほど持続させることもできます。

レシピには、食器用洗剤 40 ml、グリセリン 100 ml、グアーガム 1 グラム、水 1 リットルが含まれています。家にこれらの材料を持っている子供がいる場合は、トップ物理学ジャーナルに掲載されているこのシャボン玉液のレシピを試してみるといいかもしれません。

参考文献:

【1】シャボン玉が長持ちする仕組み

https://arstechnica.com/science/2023/01/the-physics-behind-building-an-enduring-soap-bubble/