小さなシャボン玉には大きな秘密が隠されている

シャボン玉を吹くのは、私たちが子供の頃によく遊んだ小さなゲームです。適量の洗濯用洗剤をきれいな水に混ぜて均一にかき混ぜ、その中にプラスチックのリングを浸し、軽く吹きかけます。泡は春風とともに舞い、太陽の光の下で色鮮やかに輝きます。

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単純なことのように聞こえますが、なぜ普通の水から泡を吹き出すことができないのか疑問に思ったことはありませんか?石鹸水は透明に見えるのに、太陽の下では泡が色鮮やかに見えるのはなぜでしょうか?実は、小さな泡の下には多くの科学的知識が隠されています。今日は、泡に近づいてその秘密を探ってみましょう。

パート1

泡の誕生：表面張力とは何ですか？

私たちが普段使っている泡水の秘密のレシピは、実はとてもシンプルです。石鹸や洗濯用洗剤をお湯に溶かすだけです。では、なぜ普通の水からは泡を吹くことができないのに、作った石鹸水からは泡を吹くことができるのでしょうか?これは泡形成の原理から始まります。

まず、表面張力という物理的な概念を理解する必要があります。

雨粒が蓮の葉に落ちると、水滴が転がり、小さな動物が水面を自由に動き回れるという現象に気づいたことがあるでしょうか。これらは水の表面張力に依存しています。

蓮の葉の水滴

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水生昆虫

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液体の表面は自動的に収縮する傾向があり、この自動収縮の原動力は液体の内部と表面の分子に働く異なる重力場から生じます。液体の表面にある分子にとっては、内部の液体分子からの重力のほうが外部の空気分子からの引力よりも大きくなります。したがって、重力を無視できる場合、液体は面積が縮小する傾向があり、常に球形を形成する傾向があります。マクロ的なスケールでは、この力は液体の表面張力と呼ばれます。

表面張力モデル

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この時点で、新たな疑問が湧く人もいるかもしれません。表面張力によって液体の表面積は縮小する傾向があるのに、なぜシャボン玉は存在するのでしょうか?確かに良い質問ですね。しかし、表面張力により水中に空気が存在することはできないので、表面張力を下げる方法を見つければ大きな泡を形成できるのではないでしょうか。

表面張力を下げる方法を説明する前に、まずは「界面活性剤」とも呼ばれる石鹸と洗濯用洗剤について改めて理解しておきましょう。界面活性剤は、界面に容易に付着し、界面特性や関連するプロセスフローに大きな影響を与える物質の一種です。

歴史的に見ると、界面活性剤は洗剤から生まれました。最も基本的な石鹸の製法には何千年もの歴史があります。古代ローマの作家プリニウスは、この式を記録した最初の人物の一人でした。彼は、石鹸の作り方は油とアルカリを混ぜることであり、灰を水に溶かした生成物はアルカリであることに気づきました。

石鹸分子: 脂肪酸ナトリウム

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現在使用されているアルカリはすべて人工的に合成されていますが、生成される石鹸分子は過去のものと似ており、親水性の頭部基と親油性の尾部基で構成されています。親油基と水分子の間の反発により、最もエネルギーの低い存在形態を求めるために、界面活性剤分子はまず親水基が下向き（水分子と接触）、親油基が上向き（空気分子と接触）になるように水溶液の表面に配置されます。液体表面に新しい界面活性剤分子を受け入れるためのスペースがなくなった場合にのみ、新しく追加された界面活性剤分子は溶液の内部に移動します。

親水基は水分子によって下向きに引き付けられますが、親水基の極性は水分子の極性よりも弱いため、この引力は水分子間の引力よりも弱くなります。親油性基は空気分子によって上方に引き寄せられますが、その体積が比較的大きいため、親油性基はより多くの空気分子と接触することができ、また、極性が弱いため、親油性基はよりよく融合して空気分子を引き付けることができます。この引力は、空気分子と水分子の間の引力よりも強力です。

一般的に、下向きの重力は弱まり、上向きの重力は増加します。界面活性剤分子の力の不均衡は水分子の力の不均衡よりも弱い。そのため、界面活性剤分子が配列した水溶液の表面は、水分子のみの表面よりも明らかに弱くなります。マクロ的な観点から見ると、表面張力は低下します。これが石鹸水が泡を作ることができる理由です。

シャボン玉の表面力モデル

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パート2

バブルの色: 色はどこから来るのでしょうか?

太陽の下でシャボン玉を吹くと、シャボン玉の色が水のようにダイナミックでカラフルであることがわかります。実際、シャボン玉は無色です。太陽の下で色鮮やかに見えるのは、透明なフィルムの上下面で太陽光が反射し、干渉し合うためです。

人生において「反射」や「干渉」は珍しいことではありません。光の反射により、私たちは鏡に映った自分を見ることができます。反射とは、光が異なる物質を伝搬する際に、その界面で伝搬方向を変えて元の物質に戻る現象を指します。光は水、ガラス、その他多くの表面に当たると反射します。石鹸膜は、上面と下面の2つの表面を持つ透明な膜です。太陽光が石鹸膜の表面に当たると、石鹸膜の上部と下部でそれぞれ反射されます。

物理学者の研究により、光は池の水の波のように強い波動特性を持っていることがわかっています。池に石を投げ込むと、波紋が互いに干渉し合い、美しい模様を作り出します。よく観察すると、水波のある位置では振動が強くなり、他の位置では振動が弱くなっていることがわかります。物理学では、2 つ以上の波が空間で出会ったときに、それらが重なり合ったり打ち消したりして新しい波形を形成する現象を干渉と呼びます。

建設的な干渉

（画像出典：著者自作）

破壊的な干渉

（画像出典：著者自作）

水の波と同じように、同じ周波数の光線が出会うと、それらは互いに干渉します。特定の厚さのフィルムでは、特定の波長の光のみが安定した建設的干渉または破壊的干渉を生成できることは注目に値します。前者は、2 つの波が同時に同じ場所に到達するピーク (または谷) を指し、干渉波が最大の振幅を生成します。後者は、2 つの波の山と谷が出会うことで、干渉波の振幅が減少することです。光波の振幅は光の強さを反映し、人間の目に物体の明るさや暗さの感覚を与えます。

干渉原理モデル

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シャボン玉の膜の厚さは場所によって均一ではないため、建設的干渉と破壊的干渉の理論に従って、太陽光は異なる厚さの膜の表面で強められたり、弱められたり、打ち消されたりして、色が赤、青、緑になり、シャボン玉がカラフルに見えます。

パート3

泡からのインスピレーション：なぜこれほど多くの研究が泡から生まれるのでしょうか？

現在、世界中にはシャボン玉愛好家がたくさんいます。彼らは、より大きなシャボン玉を作るための石鹸水の秘密のレシピを探求することに専念する「国際シャボン玉アーティスト協会」などの世界的な組織を設立しました。子どもの頃の大きなシャボン玉への夢と憧れに応えて、シャボン玉の大きさに関するギネス世界記録も絶えず更新しています。

小さなシャボン玉には自然の秘密が隠されています。物理学者は表面張力を研究するために、数学者は最小表面を研究するために、生物学者は生物の薄膜の生化学的メカニズムを研究するために、そして力学は薄膜の膨張構造を研究するためにシャボン玉を使用します...シャボン玉は科学研究の分野で大きな成果を上げ、科学者に多くのインスピレーションを与えてきました。

例えば、20 世紀初頭、ドイツの学者プラントルは弾性円筒のねじれを研究しているときに、円筒内の応力関数が満たす方程式が、自重を受けたフィルムが満たす方程式と同じであることを発見しました。そしてつい最近、フランスのボルドー大学の流体力学の専門家であるハミッド・ケリー氏は、大気現象を研究するための理想的なモデルとしてシャボン玉を使用し、サイクロン進化の普遍法則に関する独自の推測を提唱しました。シャボン玉をモデルにした光の分岐流に関する論文「光の分岐流の観測」がネイチャー誌の表紙を飾ったほどだ。これらすべては、シャボン玉にはまだ探求する価値のある多くの秘密が残っていることを証明しています。

有名なイギリスの物理学者ケルビンはこう言っています。「シャボン玉を膨らませて観察すれば、一生かけて研究し、次から次へと物理学の教訓を引き出すことができるだろう。」自然の驚異と楽しさは、一生かけて探求する価値があります。

参考文献:

[1] キャサリン・ニクシー。バブルの中の物[J]。ロマンティック世代、2021(29):48-49。

[2] リン・ビアン、ルーク。空虚から実用へ：小さなシャボン玉：生涯研究する価値がある[J]。ワールドエキスポ、2021(19):72-73。

制作：中国科学普及協会

5月に制作

著者所属：中国科学院長春光学精密機械物理研究所

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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