「ワインの涙」から魔法の「表面張力」まで

ブドウのワインと光る杯、

琵琶の音楽を聞くとお酒が飲みたくなります。

酔って戦場に横たわっている私を笑わないでください。

歴史上、戦争から帰還した男性は何人いるでしょうか？

唐代の辺境詩人、王漢の『涼州詩』です。冒頭の文章は、酒を飲まなくても酔わせるほどの、贅沢で豪奢なプチブルジョア的感情を存分に表現しています。後に兵士たちが表現した英雄的感情や悲劇的感情を誰が気にするだろうか？

詩的で絵のような詳細には立ち入らず、「ワインの涙」についてだけ話しましょう。

1. 「ワインの涙」とは何ですか?

ワインを飲むときは、一般的にグラスの容量の1/3を注ぐのが適切です。その目的は、一方では、グラスを振ることを容易にし、ワインが酸素と十分に接触し、ゆっくりと目覚め、豊かな香りを放ち、よりまろやかな味わいになるようにすることです。一方、ワインの色をよりよく観察し、ワインの年や品種などの情報を判断することもできます。そしてもう一方では、「ワインの涙」を観察しやすくするためです。

ワイングラスを軽く振ると、ワインがグラスの中で渦を巻き、グラスの壁に液柱が形成され、ゆっくりとグラスの壁に沿って滑り落ち、壁にワインの跡を残します。細くて長く、美しい女性のほっそりとした脚のようで、林黛玉の頬の涙のようでもある。これらのワインの柱は、伝説上の「ワインの涙」、「ワインの脚」、「ワインの足」、または「カップの吊り下げ」です。ロマンチックなフランス人はこれを「ワインの涙」と呼んでいます (図 1)。とても魅力的でロマンチックです。

図1「ワインの涙」

「梁州慈」の光り輝く杯の中の葡萄酒は、自然に「酒の涙」を流します。これらの「ワインの涙」は、西部地域の悲劇的な英雄的行為によって動かされているのでしょうか、それとも、自分たちが助けることができないことにより心が張り裂けそうになっているのでしょうか?それとも誰かがワインの中に悲しい涙を落としたのでしょうか?

なぜワインには「涙」があるのでしょうか?この質問に答える前に、いくつかの基本的な知識を学びましょう。

2. 「表面張力」とは何ですか?

表面張力とは、静止した液体の表面が可能な限り最小の表面積に収縮する傾向のことです。

定義は厳密ですが、専門用語は理解しにくいです。中国語で説明しましょう。

液体の隣接する分子間には相互引力が存在します。液体内部では、液体分子は周囲の隣接する液体分子の影響を受けます。これらの力は分子のすべての方向に均等に分散されるため、それらの結合された力はゼロになります (図 2)。

図2 表面力のメカニズム

液体の表面（図2に示す液膜）では状況は異なります。ここで液体分子は周囲のあらゆる方向から均一な力を受けるわけではなく、受ける合力は液体の内部に向けられます。この合力の作用により、これらの液体分子は内側に引っ張られるように見えます。これにより、液体に内部圧力が生じ、液体の表面積が最小面積まで内側に収縮する傾向が生まれます。

同時に、液膜表面の液体分子間の相互引力により、液膜の接線方向には表面と「平行」な張力も発生し、これを表面張力と呼びます。

最終的な効果は、液体の表面が引き伸ばされた弾性膜で覆われているかのように動作することです。

表面張力は、微視的レベルでの分子間の引力が不均衡になるために発生することがわかります。これらは互いに引っ張り合い、表面張力として現れます。

3. 「マランゴニ効果」とは何ですか?

マランゴニ効果とは、表面張力の異なる 2 つの液体の界面における表面張力の勾配によって生じる物質移動の現象を指します。

引き続き中国語で説明させていただきます。

2 つの液体が接触すると、表面張力の大きい液体が周囲の表面張力の小さい液体に対してより強い引力を発揮し、表面張力勾配 (つまり張力の差) が生じて、液体は表面張力の低い方向から高い方向へ流れます (図 3)。それは2人の対戦者間の綱引きのようなもので、強い方が自然に弱い方を自分の側に引き寄せます。

図3 マランゴニ効果の模式図

同様に、同じ溶液の表面張力は、濃度が高いために増加します。そのため、濃度の異なる溶液を混ぜるとマランゴニ効果が発生し、希薄溶液が濃溶液に浸透して流れ込みます。

この現象は、1855年にイギリスの物理学者ジェームズ・トムソンによって発見されました。しかし、イタリアの物理学者カルロ・マランゴニは、パヴィア大学で博士論文としてこの現象を研究し、1865年にその結果を発表しました。それ以来、この現象は総称してマランゴニ効果と呼ばれています。

4. 「ワインの涙」はどのようにして作られるのでしょうか?

「ワインの涙」はワインのマランゴニ効果によって生じます。

「ワインの涙」の形成はアルコールに関連しています。まず、ここで2点申し上げたいと思います。 1つは、アルコールの表面張力は水よりも低いということです。第二に、アルコールは非常に揮発性が高いです。

水分子は水素原子と酸素原子で構成されています。酸素原子は正に帯電した水素原子核に容易に引き付けられ、この力は「水素結合」と呼ばれます。水素結合は通常の分子間力よりもはるかに強力です。それに比べて、アルコール（学名：エタノール）分子間の結合力ははるかに弱いです。水は強い水素結合が存在するため、非常に強い表面張力を持っています。アルコールの表面張力は水の表面張力よりもはるかに小さく、アルコールは非常に簡単に蒸発します。

ワイングラスを回すと、ワインはグラスの側面まで上がります。ワインと空気の接触面積を増やします。アルコールが蒸発しやすくなります。一般的に、アルコールは最も薄い上部で最も早く蒸発します。これは、ワインの上部のアルコール濃度が他の部分よりも低いため、上部の表面張力が大きくなることを意味します。グラスの壁面におけるこの表面張力の差により、ワインは「下から上へ」引っ張られ、バランスが保たれます。アルコールの継続的な蒸発により、液体は上向きに流れ続けます。しかし、引き上げられた後、ワインは行くところがなく、グラスの壁に集まることしかできず、表面張力が液滴の重力に抵抗するのに十分でなくなるまでアーチ状の液滴を形成して蓄積し、しぶしぶ「涙を流します」（図 4）。これが「ワインの涙」の形成原理です。

図4 「ワインの涙」の形成原理

したがって、「酒の涙」は、実は「三国志演義」の酒と水と空気の物語であり、表面張力と重力の綱引きともいえる。

「ワインの涙」という表現は、まさに人々がワインに人間的な感情を与えているということだ。明らかに、ワインには涙を流す力はありません。 「ワインレッグ」という表現は、ワイン愛好家の単なる空想です。ワインには明らかに足を生やす力はありません。同級生の「程陽」もため息をつく必要はありません。「良い酒は杯の中に長く残る」-それは酒の悲しみなのか、それとも杯の残りなのか？

実際、アルコール度数の高いワインには美しい「ワインの涙」や「ワインの脚」が現れます。何も対策を取らなければ、赤ワインでも白ワインでも、アルコール度数の高いワインであれば、「ワインの涙」が流れ、「ワインの脚」が生えてきます。

しかし、簡単な手動介入により、「ワインの涙」や「ワインの脚」は現れなくなります。ワインを注いだ後、アルコールが蒸発するのを防ぐために、ワイングラスを素早く完全に覆い、ワイングラスを振るだけで、「ワインの涙」や「ワインの脚」現象は消えます。

宿題です：ワインの品質は「ワインの涙」と関係があるでしょうか？

5. 魔法の「マランゴニ効果」は何に使われるのでしょうか?

自然界における多くの方向性伝達プロセスは、マランゴニ効果に由来します。現在、多くの人がマランゴニ効果を利用して、さまざまなエンジニアリングの実践でさまざまなことを行っています。学生の興味を喚起するためにいくつか例を挙げます。

（１）なぜ沸騰したお湯の中で排尿してはいけないのか？

伝説によれば、熱いお湯に排尿すると、お湯は上流に流れ、排尿した人は火傷を負うことになるそうです。

この問題に関しては多くの人が関連する実験を行ってきました。実験結果は伝説通りでした。熱い水は低温の水とともに上流に流れ、小さな JJ を火傷させました (図 5)。なぜなら、マラーニ効果によれば、表面張力の大きさは温度にも関係しており、お湯は上流に流れるからです！

図 5: 高い位置から遠くに立って排尿したとしても、熱いお湯の中で排尿すると火傷をする可能性があります。

（２）なぜ専門家は人々にトイレ掃除を頻繁に呼びかけるのでしょうか？

見た目は清潔なトイレでも、肉眼では見えないさまざまな細菌やその他の物質が付着していることがよくあります。

トイレは清潔ではなく、人々はそこで排尿しています。注意しないと、細菌が尿とともに逆流し、尿路感染症を引き起こします。

（３）冶金、化学工業等の分野への応用

例えば、冶金業界では、溶融後の異なる金属の表面張力の違いにより、マランゴニ効果によって液体金属が移動し、異なる金属が不均一に分布することになります。一見無関係に思えるワイン産業と冶金産業は、同じ物理現象によってつながっています。

（４）海水淡水化技術

海水と空気の界面には塩分濃度の勾配があり、表面張力の勾配が形成され、溶媒と塩分溶質の移動に追加の駆動力が与えられます。界面に沿った表面張力の勾配により接線力が発生し、滑り速度が形成され、海水は低表面張力から高表面張力へと流れます (図 6)。

図6 海水淡水化技術の「マランゴニ効果」の動作原理

（５）マランゴニ効果は、液体の広がりとそれによって生成されるパターン、および液面下の溶液内のマランゴニ対流を引き起こします。

香港大学機械工学部のShum Ho-cheung教授率いる研究チームは、フランスのパリ・サクレー大学のNeil Ribe教授率いる研究チームと共同で、Nature Communications誌に研究論文「Generation of Fermat's spike patterns by solutal Marangoni-driven coiling in an seafood two-phase system」[2023-12-17]を発表しました。DOI:10.1038/s41467-022-34368-5。この論文では、2 相水系における 3 次元マランゴニ物質輸送システムを開発した、流体力学における画期的な成果が報告されています (図 7)。材料を液滴から液面へ規則的に移動させ、整然と広げることができるため、革新的な自動紡糸システムの開発に新たなアイデアが生まれます。

図7 マランゴニ効果による液体の広がりとそれが生成するパターン、および液面下の溶液中のマランゴニ対流

(6) 血液透析におけるマランゴニ効果

医学では、マランゴニ効果を利用して血液透析を補助するシステムが発明されました (図 8)。この方法を使用すると、より効率的に血液透析を行うことができます。

図8 血液透析におけるマランゴニ効果

血液透析は、急性および慢性腎不全の患者に対する腎代替療法の 1 つです。体内の血液は体外に排出され、無数の中空糸で構成された透析器を通過します。血液と体内と同等の濃度の電解質溶液（透析液）を半透膜を通して中空糸の内外で透析します。拡散、限外濾過、吸着、対流の原理を通じて物質が交換され、体内から代謝老廃物が除去され、電解質と酸塩基のバランスが維持され、体内の余分な水分が除去されます。浄化された血液を体内に戻すプロセス全体を血液透析と呼びます。

血液透析の主な原理は、拡散＋対流です。したがって、血液と電解質溶液の均一な拡散と対流拡散をどのように実現するかが重要な科学技術上の課題です。これには「マランゴニ効果」が重要な役割を果たしました。

最後に、表面張力 > マランゴニ効果 > ワインの涙 > マランゴニ効果の工学的応用について簡単にまとめます。この主な流れに沿って、「ワインの涙」から魔法のような「表面張力」まで、一見普通の現象の背後に、いかに多くの興味深い基礎科学の問題が隠されているかがわかりました。これらの科学的問題を理解し、克服することで、私たちはそれを実践し、自然界を創造し、変えることができるのです。