レーズン + ソーダ = ネイチャーペーパー？あなたのキッチンに革新的な発見が隠れているかもしれません！

「人生に美しさが欠けているわけではない。しかし、美しさを発見する目が欠けているのだ。」同様に、人生において科学が不足しているわけではありませんが、単純な現象の中に科学を発見する目が不足しています。

炭酸飲料の泡を見たことがありますか？誤って炭酸飲料の中に何かを落としてしまい、その物体に泡がくっついていることに気づいたことはありませんか?しかし残念なことに、私たちはそれについてあまり考えませんでした。

泡に囲まれたレーズン。画像クレジット: Saverio E. Spagnolie

ウィスコンシン大学マディソン校のサヴェリオ・E・スパニョーリ教授は違った。彼は家で娘と遊んでいるときに、キッチンで小さな実験をしました。彼らは炭酸飲料にレーズンを入れたところ、レーズンがすぐに泡で覆われることを発見した。その後数分、あるいは1時間ほど、レーズンは飲み物の中で魔法のように回転し、跳ね、踊ります。娘と父親は、上がったり下がったりするレーズンを長い間見つめ、だんだん興味を失っていったが、スパニョーリーは探検に夢中になった。

ソーダ水の中でレーズンが踊る裏には、どんな科学的な秘密が隠されているのでしょうか?スパニョーリ氏はこの現象の謎を解明するために、数人の学生を集めて一連の実験を実施し、コンピューター上で数値シミュレーションを実行し、レーズンの動きの挙動を説明する理論モデルを構築しました。最終的に、彼らは研究論文を書き、5月9日にNature Communications誌にオンライン公開した。レーズンが「踊る」動画は、わずか2日間で50万回以上再生された。

転がるレーズン、回転してジャンプするダンサー

この研究を行うことの意義は何ですか?

多くの人にとって、炭酸飲料の中でレーズンが踊る現象は興味深いものですが、ニュートンがリンゴが地面に落ちる理由を研究したときに直面した一連の疑問と同じように、その探求の背後にある意味を理解することはできません。

数学研究者として、Spagnolie 教授は粘性流体、微生物の動き、生体力学などの複雑な動的プロセスに常に興味を持っており、これらの問題を研究するための新しい数値手法を開発できることを非常に嬉しく思っています。彼はチームを率いて、これらすべての実験、数値シミュレーション、理論的研究を統合し、次々と科学的問題を解読しました。

レーズンはなぜ踊るのでしょうか？簡単に言えば、レーズンが炭酸飲料に入った瞬間、ソーダの中の泡がレーズンの表面に付着しようと争い始めます。まるで、いたずら好きなエルフの一団がレーズンのために膨らんだライフジャケットを着せているようです。

泡がどんどん集まるにつれて、レーズンの浮力はどんどん強くなり、ついにはその力によってレーズンはゆっくりと持ち上げられ、ゆっくりと水面まで上がってきました。しかし、レーズンが水に触れるとすぐに泡ははじけてしまいます。泡がはじけることで生じる非対称の浮力により、レーズンはまるで優雅なワルツを踊っているかのように水中で回転し始めました。泡が一つずつはじけるにつれて、レーズンのダンスのステップは徐々に重くなり、ついには浮力が足りなくなり、ダンスを続けることができなくなり、レーズンは再び水の底に沈み、次の浮上を待ちました。このプロセスは、何度も繰り返される周期的なダンスのようなものです。

ソーダの中の泡が実は水の表面張力と綱引きをしていることをご存知ないかもしれません。表面張力は水の表面を平らにして表面積を減らそうとしますが、泡は常にその領域を拡大しようとします。しかし、レーズンのあのざらざらとした小さな丘の中には、泡が隠れ場所を見つけ、表面張力によって追い出されることなく一時的に安全に保たれます。ある意味、レーズンは実はとても優れたダンサーです。

開けたての炭酸飲料の缶なら、レーズンが元気よく「タンゴ」を踊ります。約20分後、ダンスのステップは徐々に遅くなり、より優雅な「ワルツ」に変わります。全体のプロセスには 1 時間かかる場合があります。

スパニョーリ教授とそのチームは、炭酸飲料の中に浮遊する物体の謎を解明するために多大な努力を払ってきた。彼らは実験とコンピューターシミュレーションを通じて、液体中の物体の浮遊と動きを予測する数学モデルを確立しました。さらに詳しく調べるために、研究者たちは半径1センチのポリ乳酸（PLA）球を3Dプリントし、それをデジタルスケールに接続して、液体中の物体の挙動をシミュレートして理解しました。彼らは数学モデルを通じて、流体抵抗よりも重要な、物体の表面積と体積の比率など、物体の浮力に影響を与える重要な要素を発見しました。

3D プリントされた「レーズン」の応力を測定するプロセス 画像提供: Saverio E. Spagnolie

キッチンから火山の噴火まで、あらゆる小さな発見は尊重されるべきである

科学は手の届かないところにあるのではなく、私たちの台所や日常生活の中にあります。踊るレーズン一つ一つが科学的探究のひらめきであり、どんな小さな発見も尊敬に値します。非常に単純でわかりやすい現象のように思えますが、その背後にある科学的原理は、人類が自然をさらに理解し、自然と調和して生きるための基礎となるのかもしれません。

例えば、スパニョーリ教授がレーズンのダンスで探求した科学的原理は、自然界におけるマグマの噴火などの現象を説明するのにも応用できます。

火山内のマグマが徐々に上昇して地表に近づくと、圧力が急速に低下し始めます。ちょうどコーラのボトルのキャップを開けたときのように、圧力が解放されると、マグマに溶解したガス（主に水蒸気と二酸化炭素）が急速に膨張し、火口に向かって流れていきます。これらのガスはマグマの中で巨大な泡を形成し、泡が成長し続けると、最終的に火山の激しい噴火につながります。

火山の噴火の規模と威力は私たちの手にあるコーラの噴火をはるかに超えていますが、その背後にある物理的プロセスは似ています。火山の噴火では、マグマ内の固体粒子はソーダ水の中のレーズンのように泡と一緒に踊るわけではありませんが、その存在と動きも噴火の過程と特徴に重要な影響を及ぼします。これらの粒子はマグマ内で不均一に分布しています。密度、サイズ、形状はさまざまです。マグマが上昇して圧力が変化すると、これらの粒子の動きと相互作用が泡の形成と放出に影響を与え、それが火山噴火の強度とパターンに影響を与える可能性があります。例えば、より大きな粒子はガス泡の上昇を妨げ、マグマ内部の圧力を高め、より激しい噴火を引き起こす可能性があります。

コーラの泡から火山の噴火まで、自然界のあらゆる「噴火」は地球の力の表れです。これらのありふれた自然現象を観察し研究することで、驚くべき結果が得られるかもしれません。さあ、あなた自身のキッチンに注目してください。それは可能性に満ちた実験室です。考えてみてください。他にどんなシンプルで安全、簡単、低コストの実験が、私たちが探求し発見するのを待っているでしょうか?おそらく、有名な学術雑誌に掲載されるような次の革新的な発見は、あなたの家にある油、塩、ソース、酢の中に隠されているかもしれません。